автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Разработка и исследование лазерного интерференционного жидкостного манометра высшей точности с целью повышения уровня обеспечения единства измерений низкого абсолютного давления

Федеральное агентство по образованию

Федеральное Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет"

Физический факультет

На правах рукописи

Садковская Ирина Владимировна

Разработка и исследование лазерного интерференционного жидкостного манометра высшей точности с целью повышения уровня обеспечения единства измерений низкого абсолютного давления

Специальность 05.11.01 "Приборы и методы измерения по видам измерений (механические величины)" Специальность 05.11.15 "Метрология и метрологическое обеспечение"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт- Петербург 2005.

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет"

Научный руководитель

доктор физико-математических наук,

Научный консультант

кандидат технических наук

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация

доцент И.Ч. Машек

В.Е. Новодережкнн

Л.Н. Розанов Г.Ф. Сергушев

РГУП "ВНИИМС", Москва

Защита состоится " 2005 г. в // часов на заседания

диссертационного совета Д 308.004.01 в ФГУП - ВНИИМ им. ДИ. Менделеева " по адресу: 198005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП " ВНИИМ им. Д.И. Менделеева"

Автореферат разослан " Й & и/Оисг 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, —>

кандидат технических наук, доцент Г.П. Телитченко

2.006-4 0999

Л/6 3£0Г

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Необходимость обеспечения единства измерений низкого абсолютного давления в СССР привела к созданию в 1973 г. во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ) государственного эталона (ГЭ) единицы давления для области низкого абсолютного давления.

Создание ГЭ явилось результатом научных исследований известных ученых - метрологов М.А. Гуляева, A.B. Ерюхина, В.А. Рыжова. В основной состав ГЭ входили следующие средства измерений (СИ) высшей точности, обеспечивавшие воспроизведение единицы давления: набор из четырех компрессионных ртутных манометров, мембранно-емкостный манометр и установка с калиброванными объемами.

В настоящее время в состав ГЭ единицы давления (ГЭТ 49-80) входят мембранно-емкостные вакуумметры и специальная аппаратура для создания и поддержания низкого абсолютного давления. В соответствии с ГОСТ 8.107-81 ГЭ возглавляет государственную поверочную схему (ГПС) для СИ давления в диапазоне МО"8 - М03Па.

Сегодня национальные эталоны единицы низкого абсолютного давления передовых стран мира, применяемые в ведущих метрологических институтах -NIST (США), NPL-UK (Великобритания), IMGC-CNR (Италия), NRLM (Япония), CSIRO (Австралия), - используют в качестве основы жидкостные манометры с интерференционными измерителями разности уровней. Причина этого - высокая точность таких манометров' и возможность определения давления на основании прямых измерений основных величин Международной системы единиц - длины и массы, и использовании значения ускорения свободного падения.

Потребности приоритетных направлений развития науки, технологий и

техники России в создании и развитии толчок к

БИБЛИОТЕКА {

С 09

обновлению парка СИ низкого абсолютного давления. Получили применение прецизионные специализированные измерители и преобразователи давления нового поколения с повышенной точностью, расширенными диапазонами измерений и улучшенными функциональными возможностями. Это требует общего повышения уровня обеспечения единства измерений низкого абсолютного давления в стране, как в части создания новых более точных средств поверки и калибровки, так и в части повышения точности ГЭ. Проведенные в этой связи в Санкт-Петербургском государственном университете (СПбГУ) и во ВНИИМ в последние годы исследования показали, что одним из наиболее эффективных путей решения этой проблемы является создание и-образного лазерного интерференционного жидкостного манометра (ИЖМ), способного в настоящее время обеспечить высшую точность измерений. Это свойство ИЖМ позволяет использовать его как в основном составе ГЭ для повышения точности воспроизведения единицы давления, так и в составе рабочих (вторичных) эталонов (РЭ), создание которых предусмотрено ГПС. Вполне возможно и актуально применение интерференционных жидкостных манометров в качестве компараторов давления, а также в потокометрических вакуумных установках.

В связи с изложенным выше важность и актуальность диссертационной работы представляется очевидной.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование лазерного интерференционного жидкостного манометра высшей точности для повышения уровня обеспечения единства измерений низкого абсолютного давления.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести аналитический обзор существующих наиболее точных методов и СИ низкого абсолютного давления (включая национальные эталоны промыш-

ленно развитых стран) и осуществить выбор направления работы;

- разработать конструкцию, изготовить и испытать макет ИЖМ;

- теоретически и экспериментально исследовать влияние молекулярных свойств рабочей жидкости на точность измерений давления ИЖМ,

- провести исследование метрологических и технических характеристик макета ИЖМ с последующим анализом и оценкой результатов исследований.

Новизна результатов исследований.

1. Создан действующий макет лазерного интерференционного жидкостного манометра высшей точности, который является первой в истории отечественной метрологии разработкой, направленной на построение современного эталона единицы давления для области низкого абсолютного давления, имеющей положительные результаты.

По заявке № 2004131010 "Лазерный интерференционный масляный манометр" получено решение о выдаче патента на изобретение от 11.04.2005.

2. Предложен и реализован новый метод уменьшения поверхностных колебаний рабочей жидкости в масляном ИЖМ с помощью поплавков - демпферов специальной конструкции, позволивший существенно снизить уровень составляющей погрешности измерений давления от влияния случайных вибраций и расширить диапазон измерений давления.

3. Впервые предложен и осуществлен метод определения составляющей погрешности измерений давления ИЖМ, обусловленной капиллярными явлениями, основанный на прямых измерениях кривизны поверхности рабочей жидкости с помощью оптического интерферометра.

4. С помощью разработанных алгоритмов и программ численного решения математической задачи о форме поверхности жидкости получена зависимость радиуса кривизны мениска от радиуса манометрической трубки ИЖМ, а также получено значение коэффициента поверхностного натяжения масла ВМ-1 по методу висящей капли.

Основные положения, выносимые на защиту.

1 Создан и исследован макет и-образного лазерного ИЖМ, позволивший доказать возможность разработки СИ давления высшей точности в диапазоне 5 т 1000 Па.

2. Создана и исследована специальная конструкция ноплавков-демпферов для масляного манометра, снижающих уровень интерференционных шумов, связанных с вибрациями (от 2-3 до 0,01-0,03 интерференционной полосы), и уменьшающих влияние капиллярных явлений на погрешность ИЖМ.

3. Предложен и реализован новый вариант оптической схемы лазерного интерферометра, наиболее просто решающий задачу формирования квадратурных интерференционных сигналов и задачу уменьшения влияния излучения, возвращенного интерферометром, на работу лазера.

4. Предложен и осуществлен метод определения составляющей погрешности измерений давления ИЖМ, обусловленной капиллярными явлениями, основанный на прямых измерениях кривизны поверхности рабочей жидкости с помощью оптического интерферометра.

5. С помощью разработанной программы рассчитана зависимость кривизны мениска от радиуса трубок лазерного интерференционного манометра.

6. Разработан алгоритм и программа расчета для метода экспресс - анализа коэффициента поверхностного натяжения жидкости по геометрическим размерам висящей капли.

Практическая значимость.

Результаты, полученные в работе, могут быть использованы при создании ГЭ и РЭ единицы давления нового поколения и компараторов давления с целью повышения уровня обеспечения единства измерений низкого абсолютного давления, а также при создании потокометрических вакуумных установок.

Разработка макета ИЖМ была включена на конкурсной основе в Программу важнейших прикладных научно-исследовательских, опытно-кон-

структорских, технологических работ ГНЦ РФ "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И. Менделеева" на 2001 -2003 гг., раздел 3.4, № ГР 01.2.001.07654 и № ГР 01.2002.03204 раздела "Исследования и разработки, выполняемые государственными научными центрами Российской Федерации" ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 гт.

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на следующих конференциях и семинарах:

- Четвертый международный семинар - совещание "Разработка, производство, применение и метрологическое обеспечение средств измерения давления и вакуума" 25-27 апреля 2000 г., Санкт- Петербург;

- Вторая всероссийская научно-техническая конференция (Computer-Based Conference) "Методы и средства измерений". Октябрь 2000 г., Нижний Новгород;

- Третья всероссийская научно-техническая конференция (Computer-Based Conference) "Методы и средства измерений". Август 2001 г., Нижний Новгород;

- Пятая всероссийская научно-техническая конференция (Computer-Based Conference) "Методы и средства измерений". Май 2002 г., Нижний Новгород;

- Научно-технический семинар в РЕЕ (Институт промышленной электроники). 20 февраля 2003г., г. Варшава, Польша;

- Научно-технический семинар "Вакуумная техника и технология - 2003". Июнь 2003г., Санкт-Петербург;

- Научно-технический семинар "Вакуумная техника и технология - 2004". Июнь 2004г., Санкт-Петербург;

- Международный вакуумный конгресс (TVC-16). 28 шоня-2 июля 2004г., Венеция, Италия;

- Европейский вакуумный конгресс (ЕУС-9). 5-7 апреля 2005г, Париж, Франция.

Публикации.

Результаты работы изложены в 10-ти публикациях, получено решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка используемой литературы из 93-х наименований (из них 50 отечественных, 38 иностранных, 5 нормативно-технических) и 5-ти приложений. Общий объем работы составляет 140 страниц, в том числе 28 рисунков, 8 таблиц, 3 компьютерные программы.

Диссертация выполнена на кафедре Общей физики-1 физического факультета СПбГУ по результатам экспериментальных и теоретических исследований, проведенных в СПбГУ и в НИО 231 ВНИИМ в период с 1999 г. по 2004 г.

Содержание работы.

Во введении дана общая характеристика диссертации. Определены цель диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен аналитический обзор наиболее точных методов и СИ низкого абсолютного давления, дана их классификация и принципы действия. Выбор направления исследований был определен исходя из следующих факторов-

1. В области измерений давления существуют два абсолютных метода, обеспечивающих высшую точность измерений -грузопоршневой и жидкостный (гидростатический) метод.

2 Создание в 60-х годах 20-го века лазеров обеспечило сегодня возможность достижения максимальной точности в некоторых видах измерений и, в первую очередь, при измерениях длин и перемещений. Применение лазерного

интерференционного отсчетного устройства для измерений разности уровней жидкости в коленах и-образного манометра в настоящее время позволяет получить чувствительность, равную сотым и даже тысячным долям интерференционной полосы, что соответствует приращению давления ~ 10"6 Па.

3. В большинстве стран мира в национальных эталонах единицы давления в области среднего и низкого абсолютного давления использован гидростатический метод измерений.

Перечисленные факторы определили основное направление работы - создание и исследования макета и-образного лазерного ИЖМ, обеспечивающего высшую точность измерений в диапазоне низкого абсолютного давления, на основе известного уравнения измерений:

Р-Р0=Р811,

где: Р - Р0- разность давлений в коленах И-образной трубки; р - плотность жидкости; % - ускорение свободного падения; И - разность уровней жидкости в коленах манометра.

Несомненным преимуществом ИЖМ является также возможность автоматизации процесса измерения.

Во второй главе рассмотрены принципы и особенности реализации лазерного интерференционного метода измерения линейных перемещений. Установлено, что специфика применения лазерных интерферометров к жидкостным манометрам состоит в том, что зеркалами интерферометра являются свободные поверхности жидкости. Это неизбежно приводит к высокому уровню шумов интерференционной картины и к частичному возвращению света в лазер, что может нарушать его работу.

Рассмотрены описанные в литературе способы и особенности реализации лазерного интерференционного метода измерения линейных перемещений в применении к жидкостым манометрам.

з

Теоретически рассмотрены и оценены источники погрешности и возможные поправки при измерении давления газа лазерным ИЖМ.

Обоснован выбор масла для диффузионных вакуумных насосов марки ВМ-1 (ОСТ 38.01402-86 "Индустриальные масла") в качестве рабочей жидкости разрабатываемого манометра. При создании манометра с диапазоном от 0,1 до 1000 Па масло предпочтительнее ртути так как:

меньшая плотность масла (приблизительно в 15 раз) обуславливает повышение во столько же раз чувствительности интерферометра к изменению давления;

более низкое давление паров масла (на 3-4 порядка) способствует уменьшению остаточного давления Р0 в откачиваемом колене манометра;

более высокая вязкость масла обеспечивает более низкий уровень шумов интерференционной картины, вызванных поверхностными волнами в жидкости.

В третьей главе описана конструкция макета ИЖМ для измерений низкого абсолютного давления. Основными составными частями ИЖМ являются:

- измерительная ячейка, состоящая из и - образного манометра и лазерного интерферометра;

- аппаратура для создания и поддержания низкого абсолютного давления, в состав которой входят: измерительная камера, вакуумный откачной пост и система напуска газа;

- виброзащитное устройство;

- устройство сопряжения ИЖМ с ПЭВМ.

Схема измерительной ячейки ИЖМ изображена на рис.1. Интерферометр построен по схеме Майкельсона, в которой зеркалами служат свободные поверхности масла в коленах манометра. Его делительная пластинка 1 и поворотная призма 2 закреплены с помощью плоских стальных пружин 3 на основании 4 и оснащены настроечными микрометрическими винтами 5, один из которых находится с задней стороны и на рис. 1 не указан. Источником света для интер-

Рис. 1. Схема измерительной ячейки ИЖМ.

ферометра служит частотно-стабилизированный гелий-неоновый лазер типа ЛГН-302, в излучении которого выделена одна продольная мода с линейной поляризацией и длиной волны Х= 632,9 им. Для обеспечения возможности реверсивного счета интерференционных полос применен известный способ смешения пучков с линейной и круговой поляризациями, который реализован следующим образом. Пучок лазера после поворотной призмы 6 проходит через поляроид 7, ориентированный под углом 45° к плоскости падения на делительную пластинку 1 Пройдя напрямую колено, он на выходе интерферометра сохраня-

ет линейную поляризацию. Второй пучок два раза проходит поворотную призму полного внутреннего отражения 2, которая поставлена вместо обычно применяемого поворотного зеркала При этом он приобретает эллиптическую поляризацию, близкую к круговой. На выходе интерферометра пучки света проходят через поляризационный делитель 8, который формирует квадратурные сигналы интерференции, регистрируемые двумя фотодиодами 9. Совмещение в призме 2 двух функций, отражателя и четвертьволновой пластинки, обеспечивает предельную простоту оптической схемы. Кроме того, поляроид 7 обеспечивает потери интенсивности возвращенного света, достаточные, чтобы лазер работал в нормальном режиме. Аналоговые сигналы с фотодиодов поступают в блок сопряжения 10, где они преобразуются в счетные импульсы.

и - образный манометр выполнен в виде стеклянной трубки с внутренним диаметром 37 мм и длиной 350 мм. Интерферометр установлен непосредственно на торцевых окошках манометра.

Для подавления поверхностных волн масла в манометре применены специально сконструированные поплавки - демпферы, реализующие использование известного свойства тонкого слоя жидкости гасить поверхностные волны (рис. 1). Поплавок - демпфер состоит из фторопластовой чаши 11, поддерживаемой на плаву стеклянным баллоном 12. Его размеры и вес частей подобраны так, что слой масла над плоским дном чаши составляет около 0,5 мм, что обеспечивает снижение интерференционных шумов на два порядка (с 2-3 до 0,01-0,03 интерференционной полосы). Смещения поплавков - демпферов поперек оси ограничены боковыми выступами 13.

Предложенный метод подавления поверхностных волн в масляном ИЖМ представляет альтернативу единственному описанному в литературе, технически более сложному, методу воздушной подвески всей установки.

В четвертой главе изложены результаты теоретического и экспериментального исследования влияния молекулярных свойств масла на погрешность измерения давления.

В основу исследования составляющей погрешности, обусловленной поверхностным натяжением жидкости, положено гидростатическое уравнение ИЖМ, которое с учетом известной формулы Лапласа для скачка давления на границе раздела двух сред, имеет вид:

г» I» . ,2а 2сг.

РгР,=р-8-Ь+{-),

где: Р] и Р2 - давления газа в коленах манометра;

р, сг - плотность и коэффициент поверхностного натяжения жидкости; % - ускорение свободного падения; Ь - разность уровней жидкости в коленах манометра; и Яг - радиусы кривизны менисков в центре.

Это уравнение позволяет связать погрешность измеряемого давления с флуктуациями кривизны мениска.

Исследование проведено в три этапа:

1. Измерен коэффициент поверхностного натяжения масла с помощью разработанной методики компьютерной обработки фотографического изображения висячей капли жидкости, суть которой состоит в следующем. По изображению капли измерены ее диаметр в самой узкой (перетяжка) и в самой широкой частях, а также ее длина. Дифференциальное уравнение для образующей поверхности капли в системе координат с началом в центре перетяжки с осью х - вдоль и осью у - поперек оси капли имеет вид:

± 1+£Е=_1___У"

у0 И (Т у-О+У12)1'2 (1+у,2)3/г' где: уо- радиус кривизны поверхности капли в перетяжке в горизонтальном сечении, И - в вертикальном.

Уравнение содержит два неизвестных параметра - коэффициент поверхностного натяжения о и кривизну в области перетяжки Я. Сначала при произвольных значениях этих параметров строят решение уравнения методом Рунге-Кутга (виртуальную каплю). Затем параметры варьируют таким образом, чтобы

геометрические размеры виртуальной капли совпали с измеренными значениями. При этом дополнительно контролируют выполнение уравнения механического равновесия капли:

2 1 1 p.g.V+7cy0 -<т-(--—) = 2я-у0-ст

у0 R

где V - рассчитанный объем капли.

Проверка методики на жидкостях с известными свойствами (спирт, глицерин, вода) дала согласие с табличными данными с отклонением не более 2-3%. В результате измерений коэффициента поверхностного натяжения масла марки ВМ-1 получено значение (3,2±0,1)-10"2 Н/м.

2. Проведено исследование зависимости кривизны мениска в центре от радиуса манометрической трубки Дифференциальное уравнение образующей мениска в системе координат с вертикальной осью у вдоль оси трубки и горизонтальной х - вдоль радиуса имеет вид:

у" у' pg _2_

(1 + у'2)3/2+х(1 + у'2)1/2 " <т 'y+R0'

где Ro -радиус кривизны мениска в центре.

С помощью ЭВМ численным методом построено семейство решений уравнения, зависящее от двух параметров: радиуса кривизны на оси и краевого угла на стенке манометрической трубки, из которого получена в графическом виде искомая зависимость радиуса кривизны мениска в центре от радиуса манометрической трубки (рис. 2).

3. Экспериментально исследованы флуктуации радиуса кривизны мениска в процессе измерения давления, которые непосредственно определяют его погрешность Для злого с помощью интерферометра Майкельсона, видеокамеры и ЭВМ регистрировали картину интерференции плоской волны и сферической волны, отраженной от поверхности масла В выборке фотографий, полученных при различных давлениях, были рассчитаны радиусы кривизны в центре мениска, их среднее значение и среднее гаадратическое отклонение (СКО)

512 256 128 64 32 16 8 4 2 1

АР10 , Па

0,1 0,3 0,5 1 2 4 8 16 32 64

10

20

30 г, мм

Рис.2 Расчетная зависимость радиуса кривизны мениска в центре от радиуса манометрической трубки (в каждой паре точек на графике левая соответствует углу наклона поверхности жидкости на стенке трубки, равному 40°, правая - 60°)

Расчеты показали, что относительное СКО флукгуаций радиуса кривизны составляет 2,7%. Этот результат использован для вычисления составляющей погрешности измерений ИЖМ, связанной с капиллярными явлениями.

В пятой главе приведены результаты исследований метрологических характеристик разработанного макета ИЖМ.

Уравнение измерений ИЖМ имеет вид:

Р = р20[1-Э(1-20)].ё-|->ь0

+ Р„

где: Р - измеряемое давление;

Р20 - плотность масла при 20,0 °С;

Р = 7,09-10"4 град'1 - температурный коэффициент плотности, рассчитанный на основе данных, представленных лабораторией госэталонов в области измерения массы, плотности и вязкости ВНЙИМ;

1 - температура масла, °С;

g = 9,81931 м/с2 - значение ускорения свободного падения;

N - количество сосчитанных интерференционных полос;

%о = 6,329910-10"7 м - длина волны лазера в вакууме;

а = 2,29-10"5 м'1 - коэффициент, рассчитанный из зависимости показателя преломления газа от давления в измерительном колене манометра;

Н = 0,15 м - длина части колена манометра от оптического окошка до поверхности масла в откаченном манометре;

Ро- остаточное давление в колет сравнения. Диапазон измерений макета ИЖМ составляет 1*1000 Па. Основные составляющие погрешности измерений давления ИЖМ приведены в табл. 1.

В результате проведенных исследований СКО случайной погрешности измерений давления созданным ИЖМ оценивается значением 1,0-10"2 Па. В настоящий момент основной вклад в эту составляющую вносит погрешность, связанная с дрейфом нуля, которая обусловлена нестабильностью пространственной неоднородности температуры в коленах и-образного манометра. Анализ литературных источников позволяет предположить, что эта составляющая погрешности может быть уменьшена до значения 0,5-10'3 Па путем термостатиро-вания измерительной ячейки манометра

Граница неисключенной систематической погрешности ИЖМ оценивается значением 0,01 % от измеряемого давления. Основной вклад в эту составляющую вносит погрешность определения плотности, которая на настоящий момент оценена значением 1-Ю"4. Анализ литературных данных показывает, что эта погрешность может быть уменьшена практически на порядок путем вы-

числения поправок к измеренному значению плотности масла на обезгажен-ность в сжимаемость.

Таблица I

Источник погрешности Погрешность измерений давления ИЖМ

Систематическая (относительная) Случайная (СКО) Выраженная в единицах давления Р, Па

Погрешность измерений плотности р рабочей жидкости МО"4 МО^Р

Погрешность измерений ускорения свободного падения ё МО*6 НО"6?

Погрешности измерений разности уровней Ъ рабочей жидкости:

-нестабильность длины волны X лазера ЛГН-302 1-Ю"7 М0'7Р

- нестабильность нуля 1-2 X (5-10)-10"3 Па

-дискретность отсчета 1/4 А, 1,4-Ю*3 Па

-погрешность, обусловленная капиллярными явлениями 1,8-Ю'3 Па 1,8-Ю"3 Па

-"косинусная ошибка" 5-Ю'7 5-Ю"7 Р

Рассчитаны доверительные границы погрешности измерений давления ИЖМ- А,.

В табл. 2 приведены метрологические характеристики как существующего макета ИЖМ, так и прогнозируемые характеристики предполагаемого к созданию эталонного ИЖМ в сравнении с метрологическими характеристиками ГЭ и национальных эталонов Великобритании, Японии и США.

Анализ данных табл.2 показывает возможность значительного повышения точностных характеристик ГЭ в диапазоне 5-И ООО Па путем введения в его состав эталонного ИЖМ и позволяет сделать вывод о перспективности созда-

ния ГЭ нового поколения, характеристики которого будут соответствовать уровню лучших зарубежных аналогов.

Таблица 2

Наименование показателей

Объект сравнения Диапазон измерений, Характеристики погрешности

Па СКО,% НСП,% Др, % и (или) Па

ИЖМ (ВНИИМ, Россия) макет 1+103 1-гМО'3 1-Ю'2 (3+2-10'2) %

прогноз 0,1+5-103 1Н-10-4 ~10'э (3+~10"3)%

ГЭТ 49-80 (ВНШМ, Россия) 10"3-103 0,3 0,3 1,0%

Лазерный интерференционный масляный манометр (ЫРЬ-ЦК, Великобритания) 0,3+6 0,5+2-10"2 4-Ю'2 ±(1,4-Ю"3 Па +0,05%)

Лазерный интерференционный масляный манометр (ТЖШ, Япония) 0,1-И-Ю3 2,1+2-Ю"4 3,2-Ю-3 (2,1+0,032Р/Па) •10'3Па

Ультразвуковой интерференционный масляный до 1.4-102 0,8+6-10"4 МО"2 данные отсутствуют

манометр (МвТ, США)

Приведены результаты испытаний макета ИЖМ, полученные в процессе международных сличений национальных эталонов России и Республики Словакия в рамках проекта КООМЕТ 235Жи/01, которые, в свою очередь, подтвердили высокие точностные характеристики ИЖМ.

Заключение

Исследования, проведенные в диссертационной работе, показали, что наиболее эффективным путем решения проблемы повышения уровня обеспечения единства измерений абсолютного давления в диапазоне 5 - 1000 Па является создание лазерного интерференционного масляного манометра, способного в настоящее время обеспечить высшую точность измерений.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Проведен аналитический обзор наиболее точных методов и средств измерений низкого абсолютного давления.

2. Разработан и создан макет ИЖМ для воспроизведения абсолютного давления в диапазоне 1 * 1000 Па, в состав которого входят:

- измерительная ячейка, состоящая из и-образного масляного манометра и лазерного интерферометра;

- аппаратура для создания и поддержания низкого абсолютного давления;

- электронное устройство сопряжения ИЖМ с ПЭВМ.

При этом конструкция измерительной ячейки ИЖМ позволяет:

- на два порядка снизить уровень интерференционных шумов, обусловленных поверхностными волнами рабочей жидкости с помощью плавающих поплавков-демпферов, а также уменьшить влияние капиллярных явлений на погрешность ИЖМ;

- сформировать квадратурный интерференционный сигнал и устранить влияние возвращенного излучения на работу лазера путем совмещения в одном оптическом элементе (призме полного внутреннего отражения) двух функций: отражателя света и пластинки А/8, и установки на входе интерферометра поляроида, ориентированного под углом 45° к плоскости падения луча на делительную пластинку.

3. Предложен и осуществлен новый метод определения составляющей погрешности жидкостных манометров, обусловленной капиллярными явлениями, который состоит в исследовании флукгуаций кривизны поверхности жидкости в трубках манометра. Метод основан на прямых измерениях кривизны с помощью оптического интерферометра и последующей статистической обработке результатов.

4. С помощью разработанных алгоритмов и программ рассчитана зависимость кривизны мениска от радиуса трубок лазерного интерференционного манометра и получено значение коэффициента поверхностного натяжения для ис-

пользованного в качестве рабочей жидкости манометра вакуумного масла марки ВМ-1

5. На основе теоретического анализа и экспериментальных исследований определены метрологические характеристики разработанного макета ИЖМ:

- диапазон измерений 1+1000 Па;

- СКО случайной погрешности 1,0-10"2 Па;

- граница НСП 0,01%.

6. Результаты испытаний ИЖМ, проведенных в процессе международных сличений национальных эталонов России и Республики Словакия, подтвердили высокие точностные характеристики ИЖМ.

7. Сравнение метрологических характеристик существующего макета ИЖМ и прогнозируемых характеристик созданного в будущем на его основе эталонного СИ с метрологическими характеристиками ГЭТ 49-80 и национальных эталонов Великобритании, Японии и США показывает возможность значительного повышения точностных характеристик ГЭ в диапазоне 5-5-1000 Па путем введения в его состав эталонного ИЖМ и позволяет сделать вывод о перспективности создания ГЭ нового поколения, не уступающего по своим метрологическим характеристикам лучшим зарубежным аналогам.

8. Проанализирована возможность и указаны пути уменьшения как случайной, так и систематической составляющей погрешности ИЖМ в 3-5 раз, что позволит расширить диапазон измерений в область более низких давлений (менее 1 Па), сохраняя при этом высокую точность измерений.

9. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования влияния капиллярных явлений на точность измерения низкого абсолютного давления с помощью жидкостных манометров, а также результаты исследований макета ИЖМ могут быть использованы как для повышения точности воспроизведения единицы давления ГЭ, так и при создании РЭ, предусмотренных ГПС. Кроме того, интерференционные жидкостные манометры могут применяться в

качестве компараторов давления, а также в потокомегрических вакуумных установках.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Садковская И.В., Эйхвальд А.И. Жидкостный манометр с интерференционным отсчетом для измерения давления газа // Четвертый международный семинар-совещание "Разработка, производство, применение и метрологическое обеспечение средств измерения давления и вакуума": Тез. докл. СПб., 2000. С.36-37.

2. Садковская И.В. Интерференционный жидкостный манометр // 2-ая Всероссийская научно-техническая конференция (Computer-Based Conference): Тез. докл. Н. Новгород, 2000. С.26.

3. Садковская И.В. Виброзащитное устройство интерференционного жидкостного манометра // Материалы 3-ей Всероссийской научно-технической конференции (Computer-Based Conference). Н. Новгород. 2001. С.20.

4. Садковская И.В. Измерение низкого абсолютного давления газа интерференционным жидкостным манометром // Материалы 5-ой Всероссийской научно-технической конференции (Computer-Based Conference). Н.Новгород. 2002. С.44.

5. Горобей В.Н., Леонтьев В.Н., Садковская И.В., Эйхвальд А.И. Эталонная аппаратура для воспроизведения единицы давления в области низких абсолютных давлений // Вакуумная техника и технология. 2002. Т. 12, №1. С.23 - 25.

6. Садковская И.В., Эйхвальд А.И. Интерференционный U-образный масляный манометр для измерения низкого абсолютного давления // Вакуумная техника и технология. 2003. Т. 13, №2. С. 101-106.

7. Садковская И.В., Эйхвальд А.И. Определение метрологических характеристик интерференционного U-образного масляного манометра // Вакуумная техника и технология. 2004. Т. 14, №2. С. 103-106.

8. Sadkovskaya I.V., Eichwald A.I. "Special floats for intereferometric oil manometer", Abstracts of 16-th International Vacuum Congress (June 28 - My 2, 2004, Venice, Italy), Posters. P. 1012.

9. Садковская И.В., Эйхвальд А.И. О влиянии капиллярных эффектов на точность измерения давления жидкостными манометрами. // Измерительная техника 2005. №3 С. 24-26.

10. Заявка на изобретение № 2004131010 "Лазерный интерференционный масляный манометр" (решение о выдаче патента на изобретение от 11.04.2005).

11. Sadkovskaya I.V., Eichwald АЛ. "Correct estimation of the capillary uncertainty of an interferometric float-tipe oil manometer", Abstracts of the 9-th European Vacuum Conference (5-7 April, 2005, Paris, France), P. 38.

\

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 16.08.2005. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Уч. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 403.

Отпечатано с готового оришнал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.

*U 876

РНБ Русский фонд

2006-4 13999

У«