автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Разработка и исследование методов и образцовых средств измерения для метрологического обеспечения испытаний вакуумных насосов

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИИ ЖНИ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА"

ОДКОРШВ Владимир Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И ОБРАЗЦОВЫХ СРЕДСТВ И 3 МЕРЕ НИИ ДЛЯ НЕ ТР О (10 Г ИЧЕ С К ОГО ОБЕ С1ТЕЧЕ И И Я И С !Т Ы ТА КИП ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ

Специальность 05.11.01 - приборы и '¿отг-д юяесония мзхэкичесяи эелит.и

АвторэфС:!?^ диссертант», ка соискание •лчечо.ч сгепеип кандидата технических кзчк

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

1992

Работа выполнена в научно-производственном объединении "Насосэнергомаш"

Шучши руководитель - доктор технических наук.старшй научный сотрудник

В.В.Кузьмин

Взициалыше оппонента: доктор физико-матеиатшесш наук,профессор

Н.П.Герасимов

кандидат технических нар.доцент Е.С.Левина

Ведущее предприятие - "Вакууммаш" (г.Казань)

Замта состоится "Ф"1892 года в 10 часов с г.Санкт-Петербурге на закдаш специашиоованного таета Д 041.03.01 при научно-производственном объединим "Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский кгтитут метрологии им.Д.И.Менделеева"

&рес:198005 г.Санкт-Петербург.Московский проспект, 13.телефон 315-08-80 . С диссертацией моянз ознакомиться в библиотеке ВНЖМ им.Д.И.Менделеева.

йатореферат разослан года.

5{еныи секретарь

специализированного Совета к.т.н. '.¿ис^А В.9.Алексеев

ТСС";"? • 4" < '--í - •

: iva

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И ОБРАЗЦОВЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ ВАШШЫХ НАСОСОВ

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.Вакуумная техника находит широкое применение во всех отраслях науки,промышленности,а также в сельском хозяйстве.Дальнейшее развитие электроники,термоядерной энергетики,космических исследований,металлургии,химической, легкой, пищевой и других отраслей промышленности невозможно без использования современной вакуумной техники и технологии.

Наряду с этим,все возрастащее внимание уделяется одной из важнейших стадий производства лшбого изделия - его испытании, и в частности,метрологическому обеспечению испытаний готовой продукции.Это особенно актуально при решении задачи повышения технического уровня и конкурентоспособности продукции с целью проведения ее сертификации.

Для обеспечения нужд потребителей в средствах получения вакуума отечественная промышленность выпускает большое число различных типов вакуумных насосов и агрегатов,позволяющих достигать давления до Па и быстроты действия до 1000 мЗ/с.1Три испытании вакуумных насосов определяются их основные характеристи-ки:предельное остаточное давление и быстрота действия.Для измерения этих величин необходимо иметь вакуумметры и потокомеры,позволяющие измерять низкие давления в диапазоне (lO^flOwa и потоки разрешенных газов в диапазоне (lO^flO )мЗПа/с.

В нашей стране выпускается ряд вакуумметров и потокомеров,используемых при испытаниях вакуумных насосов.Развитие вакуумной технологии выдвигает все более высокие требования как к средствам полугения вакуума,так и к средствам измерения. В настоящее время вакуумметрическая техника не всегда отвечает повышенным требованиям, предъявляемым при испытаниях средств получения вакуума.Так у гас, и в некоторых других странах были принята государственные стандарты,регламентируете методы и средства измерений,применяемые при испытании вакуумных насосов,где к точностным характеристикам средств измерений предъявляются требования,не в полной мере обеспечиваемые выпускаемыми в настоящее время вакуумметрами и потокомерами.-Причиной этого в значительной степени является отсутствие точных,высокопроизводительных и универсальных образцовых средств измерений этих величин,обладающих высокой степенью автоматизации процесса поверки и градуировки рабочих средств измерений.

Данная работа направлена на решение задач метрологического обеспечения испытаний вакуумных насосов и проводилась в соответствии с отраслевой комплексной программой "Стенд - 90" Минхимнефтемаша (раздел 4.1,п.5).

Целью настоящей работы является разработка и исследование методов и образцовых средств измерений для метрологическтго обеспечения испытаний вакуумных насосов,удовлетворяшщих современным требованиям по точности,универсальности и уровни автоматизации поверочных работ.

Для зтого необходимо решить следувдие основные задачи: -систематизация методов и образцовых средств измерений низкого абсолютного давления.и потока разреженного газа,рассмотрение их недостатков и достоинств;

-выбор и усовершенствование методов измерений,позволяющих разработать на их основе образцовые средства измерений,предназначенные для метрологического обеспечения испытаний вакуумных насосов;

-разработка и исследование новых методов и технических решений,направленных на повышение точности и расширение диапазона образцовых средств измерений,повышение производительности и уровня автоматизации поверочных работ;

-теоретические и экспериментальные исследования газодинамических явлений, присущих выбранным методам;

-разработка и исследование образцовых средств измерений низкого абсолютного давления и потока разреженного газа.

Методы исследований основывались на использовании аппарата интегрального и дифференциального исчисления,теории рядов,методов дисперсионного анализа,а также отдельных разделов газовой динамики и молекулярной физики.

Основные теоретические выводы работы подтверждены экспериментальными исследованиями, выполненными по методикам,разработанным автором.

Градуировки СИ низкого абсолютного давления и потока разреженного газа,а также некоторые эксперименты проводились с применением средств вычислительной техники с периферией в составе АЦП, ЦпП. графопостроителя, таймера,Для решения теоретических задач,проведения.расчетов и редактирования применялась -IBM-совместимая ПЭВМ "Great Hall" (КНР) с пакетами прикладных программ "Path Hinder" и "Horks"B режимах текстового редактора и электронных таблиц,а также "AutoCad" и "Paint Brush" для создания графических материалов.

Научная новизна:

-прерожена математическая модель течения газа в длинном цилиндрическом канале при переходном режиме течения газа,позволившая существенно расширить диапазон метода динамической редукции давления;

-проведены экспериментальные исследования течения газа в длинных цилинд-

рических каналах,подтвердившие правомерность предложенной математической модели;

-проведены теоретические исследования элемента большой проводимости в виде тонкой перегородки с большим количеством отверстий (блока диафрагм) с цельш изут чения возможности применения принципа аддитивности при определении величины проводимости элемента;

-проведены теоретические и экспериментальные исследования газодинамических явлений в вакуумных камерах образцовых установок, влиящих на точность передачи размера единиц давления и потока разреженного газа;

-прерожен и исследован новый способ градуировки вакуумметров,позволивший снять ограничения по режиму течения газа в элементе малой проводимости образцовой редукционной установки;

-получены основные аналитические выражения для исследованных методов измерений,реализованных на предложенной образцовой аппаратуре;

-проведен анализ погрешностей передачи размера единиц давления и потока газа, а также влиянщих факторов,что позволило определить границы применимости основных аналитических выражений.

Практическая ценность: '

-разработана и исследована образцовая редукционная установка с длинным цилиндрическим капилляром в качестве элемента малой проводимости и с блоком диафрагм в качестве элемента большой проводимости;

-разработана технология изготовления и определения геометрических параметров капилляров и диафрагм установки;

-разработана методика экспериментального определения проводимости элементов редукционных установок;

-разработана методика определения неравномерности распределения плотности газа в вакуумных камерах образцовых установок;

-разработана методика составления и подачи в вакуумнуи камеру газовых смесей с заданным содержанием компонент;

-разработана методика определения переходных характеристик Еакуумметричес-ких установок;

-разработан и исследован автоматизированный комплекс образцовой вакууммет-рической аппаратуры 1-го разряда для передачи размера единиц давления и потока разреженных газов;

-разработана методика индивидуальной градуировки вакуумметров и потокомеров, применяемых ря метрологического обеспечения испытаний вакуумных юсосов; -разработана методика градуировки средств измерений парциальных давлении.

Реализация и внедрение результатов работы.Результаты исследований,рекомендации,выводы и методики,а также разработанная образцовая аппаратура были использованы в НПО "Насосэнергомаш" ря проведения индивидуальных градуировок и поверок вакуумметров и потокомеров,применяемых при испытаниях вакуумных насосов типа АВЗ, выпускаемых объединением.

Разработанная аппаратура и методические разработки использовались и на других предприятиях при метрологическом обеспечении измерений параметров вакуума в рамках производственной и научно-исследовательской деятельности.Суммарный экономический эффект составляет около 600 тыс.рублей в год.

Широкие возможности прероженной аппаратуры позволили организовать на базе лаборатории вакуумной метрологии НПО "Насосэнергомаш" под эгидой ЯкрЦСМ и .. Сумского ЦСМ поверку средств измерений низких абсолютных давлений для предприятий и организаций на территории Украины..

Апробация работы.Основные результату диссертационной работы докладоались и обсуждались на республиканском научно-техническом семинаре "Методы улучшения информационных характеристик устройств и систем контроля веществ,материалов и изделий" (г.Винница, 1983г.),конференции молодых ученых и специалистов ВИДОМ им.Д.И.Менделеева (г.Ленинград,1383г.),Пятой Всесоюзной научно-технической конференции "Физика и техника высокого и сверхвысокого вакуума" (г.Ленинград, 1985г.),зональном научно-техническом семинаре "Повышение эффективности метрологического обеспечения на основе применения ЗВМ" (г.Пенза,1988г.),заседании комиссии "Вакуумные измерения" при НТС Госстандарта СССР (г.Ленинград,1988г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития „ вакуумной техники (Вакуум-91)" (г.Казань,1991г.),Всесоюзном научно-техническом семинаре "Вакуумметрия и метрология в вакуумном приборостроении"^.Севастополь, 1991г.).

Публикации.По результатам проведенных, исследований получено авторское свидетельство на способ градуировки вакуумметров и опубликовано 8 печатных работ (из них 2 без соавторов).

Объем работы.Диссертация состоит из введения,пяти глав,заключения,списка литературы,приложений и содержит 161 страницу основного текста,81 рисунок,116 наименовании библиографии.

КРАТКОЕ СОДЕРШШЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш,сформулированы цель и задачи исследований, изложены основные научные положения и вывода,защищаемые автором, приведено краткое изложение результатов диссертационной работы.

В первой главе проведен обзор и сравнительный анализ современных методов и средств измерений (СИ),применят для передачи размера единиц низкого абсолютного давления и потока разреженного газа как в нашей стране,так и за рубежом. Анализ проводился с учетом современных требований,предъявляемых при метрологическом обеспечении испытаний вакуумных насосов.Для решения поставленной задачи выбранные методы должны обладать:

1.Возможно более широким диапазоном измерений и повышенной точностьш передачи размера единиц давления и потока, что обусловлено необходимостью измерения характеристик вакуумных насосов во всем диапазоне рабочих давлений и потоков -газа,охватывающем 5-6 порядков величины для некоторых типов насосов,и повышенными требованиями к точности этих средств измерений.Применение различных методов и

СИ ря обеспечения передачи единиц давления и потока во всем рабочем диапазоне часто приводит к некоторым разногласиям в результатах измерений,вследствие различного характера проявления систематических и случайных погрешностей,присущих каждому методу.особенно на границе перехода" от одного к другому.

2.Способностью осуществлять поверку и градуировку СИ по любому набору,в том числе и по непрерывному множеству значений измеряемой величины. Это обусловлено разнообразием номинальных значений предельных остаточных давлений и быстрот действия вакуумных насосов,а также необходимостью определять зависимость быстроты действия от давления во всем диапазоне рабочих давлении.Кроме этого,поверка и градуировка по непрерывному множеству значений измеряемой величины является более корректной с той точки зрения,что выявляются возможные особенности градуировочных характеристик СИ.которые могут быть упущены при поверке по дискретному набору . значений физической величины.

3.Возможностью максимального исключения субъективных факторов путем авто- ■ матизации сбора и обработки измерительной информации.автомагоированным управлением процессом поверки и градуировки.Это позволит повысить точность и достоверность поверки путем уменьшения вероятности ошибок 1-го и 2-го рода при принятии решения о годности СИ,повысит производительность поверочных работ и даст возможность осуществлять более полный учет влияющих факторов и более точное определение метрологических характеристик поверяемых СИ.При автоматизированной поверке и

рравленш ее процессом появится возможность осуществлять поверку по непрерывному множеству значений измеряемой величины,изменяемой по заданному закону.

4.Высокой производительностью при проведении поверочных работ.Это требование обусловлено все возрастающими объемами поверочных работ,связанных гак с реличе-нием количества выпускаемых насосов,так и с повышением требований к точности СИ. Выполнение этих требований осуществляется путем проведения ежемесячной индивидуальной градуировки СИ абсолютного давления,применяемых при испытании насосов в НПО "Насосзнергомащ".

Показано,что из существующих образцовых СИ ни одно не обладает в полной мере всеми свойствами,необходимыми для решения поставленной задачи.

Компрессионные вакуумметры,хотя и обеспечивают на сегодня минимальные значения погрешностей,но обладают такими не достатками, как дискретность и длительность процесса измерений,сложность реализации автоматизированной поверки,хрупкость стекла и токсичность рабочей жидкости (ртути).Кроме этого нижняя граница диапазона, давлений, в котором результаты измерения достаточно надежны,составляет величину порядка (0,1т0,01)Па вследствие влияния откачивающего действия паров ртути.

Нембранно-емкостные вакуумметры - это более современные СИ,но их диапазон достоверных значений измеряемого давления ограничен величиной 0,01Па из-за значительного дрейфа нуля вследствие влияния колебаний температуры.Кроме этого мем-бранно-енкостный вакуумметр по сути является дифманометром,т.е.измеряет разность давлений по обе стороны мембраны.Поэтому возникает необходимость в поддержании и контроле некоторого опорного давления,по величине много меньше измеряемого.Современные модели этих вакуумметров выполняют с откачанной и изолированной полостью. При этом давление в ней не измеряется.что может привести к значительным систематическим погрешностям,особенно у нижнего предела измерений.

Образцовые тепловые и ионизационные вакуумметры охватывают в совокупности весь требуемый диапазон давлений,™ основным их недостатком является то,что их метрологические характеристики невозможно рассчитать с требуемой точностью.Погре-шность таких СИ находится в пределах ±(6тЗ(Ш,что недостаточно ря обеспечения испытаний вакуумных насосов.

Что касается вязкостного вакуумметра,то здесь также существует источник погрешности,связанный с неопределенностью числового значения коэффициента аккомодации молекул газа при взаимодействии с поверхностью чувствительного элемента.По данным самих разработчиков эта неопределенность может достигать 207..

Наиболее перспективными являются методы понижения давления,описываемые общим дифференциальным уравнением баланса поступления и откачки газа в вакуумную камеру обьема с-присоединенными поверяемыми вакуумметрами:

а (Р, -Рг)-и (Рг -Р^-зРг -У^т ">

где/у, /^и Рз~ давления перед камерой,в камере и за камерой; Цж ¿^-проводимости каналов на входе и выходе камеры;^- суммарный поток сорбции,десорбции и натекания газа в камере;^- эффективная быстрота действия,обусловленная процессами сорбции и десорбции в преобразователях вакуумметров,присоединенных к камере.

При углубленном исследовании и дальнейшем развитии этих методов появляется возможность удовлетворения вышеуказанных требований.Особенно это относится к методу динамической редукции давления,описываемому формулой:

Рг -Р, -Вт

При имеемчем и заклинается главное достоинство методов

понижения давления.Т.е.,имея образцовый вакуумметр с диапазоном измерений сравнительно высоких давлений можно осуществлять поверку вакуумметров с диапазоном измерений сравнительно низких давлений Рг.

Также отмечена перспективность хронометрического метода,но в диапазоне . низкого вакуума,где процессы сорбции-десорбции незначительны и высока:точность .измерения давления:

Метод статического расширения позволяет проводить поверку вакуумметров ~ только по дискретному набору значений давления.Кроме этого,при давлениях шже~ 0,1Па существеннуп роль начинаит играть процессы десорбции с поверхности камер, из-за чего этот метод существенно уступает методам,где поЕерка осуществляется в динамическом режиме (хронометрический и редукционный).

„Среди известных СИ потока классический тип - потокомер с бшреткой имеег ряд существенных недостатков.Вакуумные масла,применяемые в них в качестве рабочих жидкостей обладают значительной вязкостьш.смачиваит поверхность бшретки и,самое главное,растворяит газы.Существенное влияние на показания оказывает конструкция натекателя и колебания температуры.

Поршневые потокомеры обладашт более стабильными характеристиками,оснащены высокочувствительными системами измерения перемещения поршня,но все эти достоинства сводятся на нет при измерении потоков в области среднего и высокого вакуума,

где также необходимо измерять и давление.Погрешность же СИ давления в этом диапазоне достаточно высока.

Поэтому основной выбор был сделан в пользу кондуктометрических потокомеров, обладающих широким диапазоном измерении,погрешность которых,при углубленном исследовании и дальнейшем развитии может быть существенно снижена.Отмечена также перспективность метода постоянного объема,позволявшего при аналогичных условиях получить существенно меньшие погрешности,но в более узком диапазоне.

Эти методы характеризуется взаимосвязью давления и потока разреженного газа - основных величин,измеряемых при испытании вакуумных насосов,поскольку ря кон-дуктометрического потокомера измеряемый поток равен:

Правые части этих уравнений представляют собой слагаемые общего уравнения С1Это дает возможность на единой методологической основе осуществить передачу двух основных единиц физических величин в вакуумной технике - давления и потока разреженного газа.

Во второй главе анализирртся свойства и особенности элементов вакуумных установок,имеющих известную проводимость Ц/ и Ц,н реализушщих метод динамической редукции давления.Показано,что выбрав в качестве элемента с проводимостью ¿//Длинный цшшндротеский капилляр,можно во-первых,снять ограничение по молекулярному решу течения для этого элемента,во-вторых,расширить диапазон измерения исходного давления вплоть до атмосферного,где это давление измеряется со значительно меньшей погрешностью.Принципиальным здесь-является то,что режим течения в капилляре переходный от вязкостного на входном конце до. молекулярного на выходном.Дла нахождения теоретической зависимости,описывающей проводимость такого канала прерожена физико-математическая модель, и на основе ее анализа получено искомое уравнение,проведено его теоретическое исследование,при котором показано отличие данного режима течения от промежуточного.Полученное уравнение имеет вид:

(4)

и,соответственно,для метода постоянного объема:

(5)

где ¿Р и с1- длина и внутренний диаметр капилляра;/^ иу7- температура,вязкость и молярная масса газа; /у и - давления на входе капилляра и в сечении,где число Кнудсена Кп=1;_/3 -числовой эмпирический коэффициент,равный (235.

Рассмотрены некоторые особенности течения газа в таком капилляре и определены соответствующие поправочные множители.В окончательном виде проводимость капилляра в переходном режиме течения газа можно представить следующим образом:

. и = Цкв К! к г к3 + иКП Ь к5 (7)

где ¿^/7-проводимость капилляра в переходном,вязкостном и молекулярном

режимах течения; -поправочный множитель,учитывающий неустановившийся вязкостный режим течения газа на входном конце капилляра;^-поправочный множитель,учитывающий тот Факт,что давление непосредственно перед входным концом капилляра ниже давления вдали от него из-за потери части импульса молекулами,находящимися непосредственно у входа в капилляр;^- множитель,учитывающий влияние инерции при ускорении молекул газа,движущихся в капилляре при режиме течения,близком к звуковому; /у- поправочный множитель,учитывающий конечную величину отношения длины капилляра к его диаметру;к5- поправочный множитель,учитывающий существование переходного режима течения газа в капилляре.

Рассмотрено течение газа в круглом отверстии диаметром^,выполненном в тонкой перегородке.Приведена теоретическая зависимость,описывающая проводимость такого отверстия с учетом некоторых особенностей:

где Л/-коэффициент,учитывающий толщину диафрагмы,отличную от нуля\Кг- коэффициент, учитывающий то,что к диафрагме примыкает камера конечных размеров коэффициент,учитывающий возможные отклонения режима течения газа в диафрагме от молекулярного у верхнего предела измерений.

Для расширения диапазона измерений в сторону высокого давления прерожена новая форма элемента большой проводимости виде даска с большим количеством одинаковых малых отверстий,суммарная проводимость которых равна расчетной Оценено наименьшее расстояние между отверстиями,при котором суммарнр проводимость можно с заданной погрешностьш считать суммой проводимостей отдельных отверстий.

Получено основное рабочее уравнение метода динамической редукции давления, имещее вид:

Р (№Ш&тч)1ше*/бг)

'(9)

А =Р/ В= * (- Рдо)

где Рз- давление за диафрагмой; остаточные давления в градуировочг

ной камере и за диафрагмой соответственно,измеренные перед началом поверки:

молярная масса остаточного газа в градуировочной камере;^и Ян- быстрота откачивающего действия поверяемых преобразователей и быстрота действия откачного средства установки;

Основное рабочее уравнение для измерения потока газа методом постоянного объема,принятого в качестве исходного,имеет вид:

п_РьУо

\лР

Ро

лУ

Уо

А

лУ_ Уо

+

(10)

где ьР-РЛ лМг1о, р1 и Ро- давления газа в моменты времени £ иг^; Уо> Щ - вместимость вакуумных камер потокомера; То ид Г- температура газа и дрейф температуры за время измерения ЛЪ&У- изменение вместимости камер Уел счет прогиба чувствительного элемента дифманометра.

Аналогичное уравнение для кондуктометрического потокомера имеет вид:

а-и(РгРг)

(11)

Описан новый способ градуировки вакуумметров,позволяющий исключить величину малой проводимости ££ из аналитического выражения,определяющего искомое давление в градуировочной камере:

П /%-У

где Ргк~ конечное давление в градуировочной камере,измеряемое образцовым вакуумметром (Ргк>УРг)^ истечении интервала времени Ок -Ь>) после прекращения откачки градуйровочной камеры.

Далее в главе рассмотрены некоторые газодинамические явления,имеющие место в градуировочной камере установки.

Во-первых,исследовано течение смесей газов через вакуумную систему редукционной установки в режимах течения газа в капилляре от преобладающего вязкостного до молекулярного.Показано,что имеет место селекция смесей газов в пользу более тяжелой компоненты,концентрация которой в градуировочной камере будет больше исходной.С другой стороны доказывается,что если диаметры молекул компонент смесивп отличаются незначительно,то не следует ожидать существенной селекции этой смеси. Это обусловлено тем,что при анализе уравнения (9) его можно представить в виде многочлена с переменными типа// ,что с учетом выражения'для вязкости газа:

приведет к вышеизложенному выводу.Также показано,что при переходе к молекулярному режимутечения газа в канале И/ селекция смеси не будет иметь места.

Во-вторых.проанализировано влияние неравномерного распределения молекул газа по сечению градуировочной камеры.Показано.что если проводимость V/ «Им- эквивалентной проводимости камеры,то не следует ожидать значительного отклонения распределения плотности молекул газа от равномерного.Исключение составляет выходное отверстие капилляра.вблизи которого,вследствие наличия молекулярного пучка вытекавшего газа,имеет место существенная анизотропия плотности молекул.Поэтому делается вывод о необходимости применения рассеивателей на выходе капилляра.

В третьих,рассмотрен режим динамической редукции давления при условии,что исходное давление'изменяется по определенному закону.Рассчитаны интервалы времени выдержки,обеспечивающие заданный уровень дополнительной погрешности в.двух режимах: при скачкообразном изменении и при экспоненциальном характере изменения исходного давления со временем.

Определена переходная характеристика установки и выведено рабочее уравнение в режиме,наиболее близком к реальному (экспоненциальному):

где Р/ни. йк- начальное и конечное исходные давления;

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям.Прежде всего описана методика и представлены результаты экспериментального определения проводимости стеклянных цилиндрических капилляров с различными геометрическими размерами по азоту,водороду,аргону и гелии.Обнаружено хорошее совпадение экспериментальных данных с теоретическими зависимостями,рассчитанными по формуле (6).Отклонения не превышали ±3У. при преобладанием молекулярном режиме течения.В вязкостном режиме отклонения были менее ±2'/. .Измерения проводились методом постоянного объема в диапазоне давлении,охватывавшем практически все режимы течения газа к капилляре - от молекулярного до околозвукового.

Описаны методики и представлены результаты экспериментальных исследований распределения газа в градуировочной камере установки,как по ее сечении,так и по рине. Показано, что заметная "анизотропия в распределении газа имеет место лишь у выходного конца капилляра.Зависимость интенсивности потока молекул газа от расстояния от оси камеры имела вид кривых Гаусса,которые принимали все более размы-тр форму по мере увеличения давления в градуировочной камере.Были исследованы различные Формы рассеивателей и определена оптимальная в виде сетки.Также найдено оптимальное местонахождение рассеивателя.Показана эффективность их применения ря получения более равномерного распределения газа на входном конце вакуумной камеры.

Измерения распределения плотности газа по сечению камеры производились с помощью специального приспособления с основным узлом в виде длинного сильфона, сжимая который можно было осуществлять перемещение по сечению камеры газозаборной трубки с преобразователем вакуумметра на конце.Измерения распределения газа по рине камеры проводились методом перестановок с помощью комплекта индивидуально проградуированных вакуумметров в пяти сечениях камеры,равнораспределении по ее рине.Показано,что на расстоянии > 100 мм от выходного конца капшшра распределение газа не отличается от равномерного даже без применения рассеивателя. Тем самым была доказана возможность применения градуировочных камер в виде цилиндра с длиной,превышающей диаметр в вакуумметрических установках типа ОРН-б.Это позволяет осуществлять одновременную градуировку большого количества вакуумметров.

Приведены результаты и методика экспериментального определения селектирующего воздействия вакуумной системы установки при проведении поверки по смесям газов. Измерения проводились с помощью индивидуально проградуированного по чистым газам масс-спектрометра МХ-7304А.Использовались бинарные смеси/^-^л Ц-^з, //¿-Аг ,а также тройная смесьЫе-Аг-Ж.Исходное содержание компонент в смеси было равное.Обнаружена существенная селекция смесей газов,причем коэффициент разделения достигал 4 для смесей лёгких и тяжелых газов типа Ие-Аь и//г-/£.Для смеси у^-Лл коэффициент разделения не превышал 1,1.Этот коэффициент определялся по формуле:

где/7/, Пг - концентрации компонент в градуировочной камере; ПЮргр- начальные концентрации компонент в газовой смеси.

По результатам экспериментов была построекз зависимость коэффициентов разделения от давления для различных газов и обнаружено,что большие значения«¿р имеют место при давлениях ~ ИГ3 Па ,что соответствует преобладающему промежуточному режиму течения газа в капилляре.При молекулярном режиме течения.как и предполагалось. оСр приближается к 1.Но и при вязкостном режиме течения,преобладающем в капилляре также было обнаружено, что величина ¿.р имеет тенденции к снижении. По лученные зависимости дают принципиальную возможность получать в градуировочной камере установки смеси газов нужного состава практически во всем диапазоне давлений,что дает возможность осуществлять градуировку вакуумметров и масс-спектрометров по газовым смесям.

Дня определения молярной массы остаточных газов бшм проведены измерения спектра этих газов и рассчитано значение искомой величины.Оказалось,что основу остаточного газа составляют водород,пары воды, азот и углекислый газ.Для достоверности измерений было измерено содержание примесей в исходных газах,из которых составлялись смеси.Чистота этих газов соответствовала нормативам.Описана разработанная методика составления и передачи в камеру исходного давления смеси газов заданного состава без искажений с помощью специальной системы последовательно соединенных вентилей,исключающих применение различных натекателей,изменяющих исходные концентрации,что особенно заметно для газов со значительно отличающимися значениями вязкости.

Здесь же описана методика и приведены результаты экспериментальных исследований переходных прицессов в вакуумной системе установки.В эксперименте

/7/ Пгр

(15)

моделировался экспоненциальный закон изменения исходного давления,но с достаточно большой крутизной.Получение скачкообразного изменения исходного давления оказалось невозможным вследствие возникновения в камере колебаний газовой среды. Было определено оптимальное время изменения исходного давления,равное 0,2с.Величина исходного давления изменялась путем сжатия (растяжения) сильфона,присоединенного к камере исходного давления.Также определялся характер измерения давления в градуировочной камере установки при гармоническом изменение исходного давления с частотой около i Гц. Регистрация выходных сигналов вакуумметров проводилась с помощью светолучевого осциллографа Н117/1 и индивидуально проградуированного образцового вакуумметра ВШМ .Несмотря на невозможность получения скачкообразного изменения давления экспериментальные данные хорошо совпали с переходной характеристикой ря всех .трех газов,по которым были выполнены измерения.Было показано,что экспериментальная переходная характеристика не будет отличаться от теоретической более,чем на V/. из-за невозможности получения резкого скачка давления.

В четвертой главе описана образцовая вакуумметрическая аппаратура,созданная в рамках диссертационной работы.Это редукционные установки 0РУ-5М 2-го разряда с диапазоном измерений (10"' тЮ2 )Па и (10 тЮ )мЗПа/с и с соответствующими погрешностями ±( 6-И 0)2 и ±(2,5т6)'/. и редукционная установка ОРУ-6 1-го разряда с рапазоном измерений С10"^ т10° )Па и (10* МО" )мЗПа/с с соответствующими погрешностями +(3т 1)7. и ±( 2т5 )'/..

Описаны устройство,состав и особенности установок,отмечено,в частности, использование в качестве откачного средства в установке ОРУ—б турбемолекулярного насоса,как обладающего наименьшей избирательностью по газам среди высоковакуумных средств откачки.Градуировочные камеры установок 0РУ-5М и ОРУ-6 имели форму цилиндров с отношением длины к диаметру около 4.К градуировочной камере установки ОРН-5М одновременно можно было присоединить 12 преобразователей поверяемых вакуумметров,а в ОРУ-6 -24. Для ускорения получения предельного давления в градуировочной камере установки 0РН-5М диафрагма TJ¿ была выполнена в сере клапана и убиралась на время предварительной откачки,которое из-за этого сокращалось почти вдвое.

В качестве средств измерений исходного давления применялись сильфонные манометры абсолютного давления типа MñC-31 ,МпС-ЭЗ с диапазонами измеряемых давлений (103 тЮ5 )Па и с аналоговым выходным сигналом в виде постоянного тока. Средства измерений исходного давления,входящие в состав установок,регулярно подвергались индивидуальной градуировке на месте установки с помощью грузопоршневого манометра НПА-15 I -го разряда,что позволило снизить уровень их погрешностей до ±(0,3т0,5)2.

Описана методика экспериментального определения зависимости изменения вместимости камер Vo и Vo потокомера установок от прогиба чувствительного элемента дифманометра.что позволило исключить соответствующие систематические погрешности.

Далее описана последовательность решения задач автоматизации поверочных работ, выполненной на базе вычислительного комплекса "Искра-1256",который предназначен по своему исполнении для автоматизированного сбора и обработки измерительной информации,а также для управления процессами.Приведены основные характеристики, структурная схема автоматизированного комплекса для поверки и градуировки вакуумметров и потокомеров,а также структурные схемы программ,разработанных для автоматизации поверочных работ.Для управления процессом поверки и реализации заданного закона изменения исходного давления применялась автоматическая система напуска газа типа СНА-1.Результаты поверки и градуировки регистрировались на принтере в виде протокола поверки и на графопостроителе в виде градуировочной"кривой.

Описан 1§-канальный прецизионный усилитель постоянного тока, созданный совместно с советско-американским СП "Диалог" для согласования выходных параметров вакуумметров с входными параметрами аналого-цифрового преобразователя комплекса.

Представлены разработанные автором многоканальные измерительные блоки термопарного и ионизационного вакуумметров для проведения раздельной поверки преобразователей ПМТ-2 и ПМИ-2.

В завершении в главе приведены и описаны разработанные локальные поверочные схемы для средств измерений низких абсолютных давлении и потоков разреженных газов,perламентирущие порядок передачи единиц давления и потока от исходных средств измерений подчиненным в НПО "Насосэнергомаш".Для повышения точности измерения рабочих приборов в обоснованных случаях проводится их индивидуальная градуировка по образцовым средствам измерений 1-го разряда.

В пятой главе проводится анализ основных погрешностей установок как по давлению,так и по потоку.По давлении СКО будет определяться из уравнения:

So/P2nSt(PJ)-Saa/ahS2c (бгЬб'аШ (16)

СКО соответсвущк групп переменных в уравнении (9),из которых определяющей будет первая,имеющая вид:

Составляющая 'погрешности .^Определялась для двр случаев расчетного и экспериментального определения величины проводимости.Показано,что значения составляют для установки ОРН-б 0,9% при давлении МПа и 1,52_при давлении 10 Па, а минимальное значение составляло 0, 7Х в рапазоне (10 3 тЮ ')Па при экспериментальном определении проводимости капилляра методом нестационарного потока.При определении величины П) из аналитического выражения (7) соответствующие СКО составляли 1,32:1,52-и 0,72.

Для кондуктометрического потокомера СКО определялось в виде:

- (18)

По потоку СКО установки ОРУ-6 на верхнем пределе измерений (1 мЗПа/с^составляла 0,52,на нижнем пределе (10~6мЗПа/с) - 0,62,а в рапазоне (10"у тЮ ) мЗПа/с не превышало 0,42.Для метода постоянного объема соответствующее значение СКО оценивалось величиной поряра 0,32.

Проведен анализ влияющих величин,и прежде всего такого,как температура. При измерении давления зависимость от температуры будет иметь вид:

Рг-^+З' <«>

При измерении потока:

' ' (20)

где Аи В- величины,не зависящие от температуры.

Оценки соответствующей погрешности показывают,что при изменении температуры на 1К давление изменится на 0,452.а поток газа на 0,22 для кондуктометрического потокомера.Для потокомера,реализующего классический метод постоянного объема изменение температуры играет гораздо более существенную роль.Орако созданный в установке 0РУ-6 потокомер имеет ту замечательную особенность,что на его показания влияет не само изменение окружающей температуры,а изменение разности температур между камерами потокомера У0 и А/я,что значительно упрощает задачу стабилизации температуры при измерениях.

Существенное значение может иметь такой фактор,как засорение капилляра, которое может иметь место при прохождении через него газа с пыльш или с парами высокомолекулярных соединений.Расчеты показывают,что при уменьшении раметра капилляра на 52 на длине,составляющей 52 длины капилляра проводимость его рень-

шится на 0,552.Но в установке ОРУ-б имеется возможность использовать потокомер, реализующий метод постоянного объема для измерения проводимости капилляра установки.Таким образом,в установке предусмотрен режим самопроверки главного узла - капилляра на соответствие его проводимости расчетной.

Погрешность,обусловленная неравномерностью распределения газа устраняется соответствующим расположением преобразователей поверяемых вакуумметров на расстоянии, не менее 100 нм от выходного конца капилляра при наличии рассеивателя.

Погрешность,обусловленную селекцией смесей газов можно рассчитать для каждого конкретного случая с учетом чувствительности поверяемых вакуумметров по различным газам.Так для ионизационных вакуумметров градуировка по сухому воздуху вносит дополнительную погрешность порядка 0,022.Для смеси аргона и гелия соответствующая погрешность составит 202.Однако,как было показано в главе З.зная коэффициенты разделения для каждой конкретной смеси газов,можно существенно -снизить эту погрешность.

Далее в главе рассматривается влияние непостоянства потока десорбции на результаты поверки.Показано.что во всем диапазоне измерений поток десорбции изменяется не более,чем на 30-502,что вносит весьма незначительную дополнительную погрешность по сравнению с погрешностью измерения остаточного давления.

Для оценки влияния откачивающего действия преобразователей вакуумметров разработана методика определения и учета этой величины.

Определенное внимание уделено анализу динамической погрешносгл,возникающей в режиме поверки по непрерывному множеству значений измеряемой величины. Получена зависимость этой погрешности от времени выдержки перед началом отсчета:

(21

Показано.что в реальных условиях при выдержке~0,1с эта погрешность составляет 22,а при выдержке >1с эта погрешность не превышает 0,42.

В конце главы приведены результаты экспериментального определения погрешностей установок путем градуировок и сличений с другими образцовыми средствами измерений как давления.так и потока газа.При этом использовалась исходная аппаратура ВНИИМ им.Д.И.Менделеева.а также прецизионные и образцовые средства измерений,предоставленные НИИВТ им. С.А.Векшинского (г.Москва) и НПО "Вакууммаш"

(г.Казань).В таблице 1 приведены результаты сличения установки 0РУ-5М с компрес-сионым вакуумметром 1-го разряда,а в таблице 2 - результаты сличения кондукто-нетрического потокомера установки ОРУ-6 с исходной потокометрической установкой ШВО-2.

Таблица 1 Таблица 2

Но Я? ОРУ, РгК ом, 3,

п/п Па Па г

1. 0,90 0,91 -1.1

2. 1.41 1,44 -2,1

3. 2,99 3,09 -3,2

4. 10,8 10,9 -0,9

5. 24,8 24,6 +0,8

6. 47,9 47,1 +1.7

7. 56,9 55,8 +2,0

8. 63.8 61,1 +4,4

9. 89,0 84,9 +4,8

10. 107 102 +4,9

Ыо 0 ору-6, # УПВ0-2, 8,

п/п мЗПа/с мЗПа/с г

1. 3,41.10 3,49.10"5 -1.2

2. 7,34.10 . 7,51.10'5 -2,1

3. 1,13.10 1,15.10'^ -1.7

4. 3,86.10 3,95.10"* -2,3

5. 8,38.10 8,60.10-* -2,6

6. 2,21.10 2.26.10"-3 -2,6

7. 5,80.10 5,94.10"3 -2,4

8. 8,13.10 8.37.10-3 -2,9

9. 1,09.10 1,12.10* -2,8

10. 2,12.10 2.18.10"2 -2,8

Приведенные результаты сличений и градуировок свидетельствуют об удовлетворительном соответствии размеров единиц давления и потока разреженного газа, передаваемых разработанными образцовыми СИ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗЗШШ РАБОТЫ

1.Показано,что решение задачи по создании комплекса высокопроизводительной образцовой аппаратуры,удовлетворяющей требованиям,предъявляемым к средствам измерений для испытаний вакуумных насосов потребовало разработки новых методов и образцовых средств измерений низкого абсолютного давления и потока разреженного газа.

2.Предложена математическая модель течения газа в длинном цилиндрическом капилляре при теоретически наиболее сложном режиме течения (переходном от вязкостного до молекулярного по всей его длине),позволившая получить определенный виыгрыш в точности передачи размера единиц низкого абсолютного давления и потока разреженного газа за счет применения средств измерении исходного давления в диапазоне, близком к атмосферному давлению.

3.Проведено теоретическое исследование течения газа в длинном капилляре на основе предложенной моде ли. По лучено аналитическое выражение для определения проводимости такого капилляра в широком диапазоне давлений.

4.Теоретически исследованы побочные газодинамические явления,оказыващие влияние на течение газа в каналах и камерах вакуумметрических установок,определены соответствущие функций влияния и границы их применимости.

5.Выведены основные аналитические зависимости для выбранных методов измерений с учетом условий их реализации.

6.Проведены всесторонние экспериментальные исследования различных газодинамических явлений,характерных для реализации выбранных методов измерений давления и потока разреженного газа.Оценены соответствущие функции влияния и разработаны-методики их снижения или исключения.

.7.Впервые показана возможность создания на единой методологической и аппаратурной основе комплекса образцовых средств измерений для передачи размера единиц двух основных физических величин вакуумной техники - низкого абсолютного давления и потока разреженного газа.

8.Создан автоматизированный комплекс образцовых средств измерений для проведения высокопроизводительной и высокоточной поверки и градуировки средств измерений низкого абсолютного давления и потока разреженного газа.Исследование метрологических характеристик комплекса позволило сделать заключение о его соответствии образцовым средствам измерений 1-го разряда. Созданная аппаратура превосходит аналогичные системы по диапазону измерений (расширенному до 100 Па по давлении) и по производительности (позволяет проводить одновременную поверку до 24 вакуумметров в области высокого вакуума),а также возможностям проведения градуировок по различным газам и газовым смесям.Это позволило проводить градуировки средств измерений парциальных давлений газа (масс-спектрометров и др.).Проведенные исследования позволили снизить погрешность измерены комплекса до ±(3т5)2 в диапазоне давлении (10"5 т!0"' Ша и до ±(2тШ в диапазоне потоков (10~5 т10° ) мЗПа/с,что в 1,5т2 раза меньше по сравнению в аналогичными образцовыми средствами измерений.

9.Впервые осуществлена возможность создания широкодиапазонного вакуумметри-ческого образцового комплекса 1-го разряда без применения приборов,содержащих токсичную ртуть.

10.Проведены исследования и получены положительные результаты по градуировке средств измерений в режиме непрерывно изменяющейся физической величины с широким набором возможных функций изменения ее со временем.

Таким образом,разработанный автоматизированный комплекс образцовых средств _ измерений удовлетворяет современным требованиям,предъявляемым к метрологическому обеспечении испытаний вакуумных насосов.Внедрение комплекса позволяет осуществлял высокопроизводительнр поверку и градуировку средств измерений низких абсолютных давлений и потоков разреженных газов всех типов,применяемых в вакуумном машиностроении.

Научные и практические результаты диссертационной работы также могут быть использованы при разработке новых средств измерений абсолютного давления,парциального давления и потока разреженных газов,потребность в которых имеют многие отрасли народного хозяйства.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1.Кузьмин В.В.,Одноралов В.Н. Новый класс образцовых вакуумметрических установок.- Метрология,1985,N10.с.45-49.

2.Кузьмин В.В.,0дноралов В.Н. Исследование течения газа в длинном цилиндрическом канале при переходном режиме.- Вопросы атомной науки и техники.Серия "Общая и ядерная физика",1986,Вып.1(5),с.78.

3.Кузьмин В,В.,0дноралов В.Н. Исследование течения газа в длинном цилиндрическом канале при переходном режиме.- В сб."Тезисы докладов Пятой Всесоюзной научно-технической конференции "Физика и техника высокого и сверхвысокого вакуума"", Л., 1985, чЛ.с.73.

4.Кузьмин В.В,,0дноралов В.Н. Аппаратура для поверки и градуировки вакуумметров,- Том же,чЛI.e. 159-160.

5.Кузьмин В.В.,0дноралов В.Н. Градуировка манометрических преобразователей на образцовой редукционной установке 0РУ-5.- Там же,ч.II,с.177-178.

б.Одноралов В.Н. Установка для точного воспроизведения малых давлений и потоков разреженных газов. Вестник Киевского политехнического института.Серия "Приборостроение",1989,Вып.19,с.10-12.

7.0дноралов В.Н. Измерение предельных остаточных давлений вакуумных насосов с-масляным уплотнением,- В сб. "Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития вакуумной техники (Вакуум-91)"", Казань,1991,4,1,с.184-185. •

8.Й.с.1441212 СССР. Способ градуировки вакуумметров (НПО "Насосзнергомаш", г.Сумы) Авторы изобретения: Кузьмин В.В;,0дноралов В.Н.,Эдель Л.А. - Заявлено 19.02.86,N4024145; Опубликовано в 0Ш0ИЗ,1988Жс.Ш.