автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Теоретические модели, вопросы проектирования, технологии и рационального применения грузопоршневых манометров избыточного давления

НПО ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ШЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ И РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

На правах рукописи-

БОРОБКОВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

УДК 531.787.53.092 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ТЕХНОЛОГИИ И РАЦИОНАЛЬНОГО ПШЕНЕНИЯ ГРУЗОГОРШНЕВЫХ МАНОМЕТРОВ

ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения

механических величин Сб.II.15 - Метрология и метрологическое обеспечение

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва - 1991

НПО ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ И РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

На правах рукописи БОРОВКОВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

УДК 531.787.53.092 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ТЕХНОЛОГИИ И РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ГРУЗОШРШНЕВЬК НАНОМЕТРОВ

ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения

механических величин Об.П.15 - Метрология и метрологическое обеспечение

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук р форме научного доклада

- 199Г

Работа выполнена в НПО "Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений"

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Гсленков А.Н.

доктор физико-математических наук Малый В.И.

доктор физико-математических наук Эстрин Э.И.

Ведущая организация ВНИИ метрологической слуасбы

Защита состоится " 27'мая__Д99 2г. в ii_ час. 00 мин.

на заседании Специализированного Совета Д.041.02.01 при НПО "Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений' по адресу: 141570, Московская обл., Солнечногорский р-н, п/о Менделеево

Диссертация разослана "О8 " апреля_ 1992г.

Ученый секретарь Специализированного

Совета, кандидат технических наук ^ванова

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность проблемы.

Измерение давления с нормированной погрешностью является обязательным условием многих технологических процессов и экспериментальных исследований. По количеству приборы для измерения давления уступают лишь приборам для измерения температуры.

Найбслее распространены рабочие средства измерения давления (РСМД) классов точности 0,6 и более. Именно для обеспечёпия правильности их показаний существует сложная метрологическая надстройка, состоящая из нескольких разрядов образцовых приборов и эталонов.

Существует потребность и в измерения давлений с очень малой погрешностью, соответствующей имеющимся государственным эталонам, и даже меньшей (иногда на порядок). Такая ситуация характерна для различных областей давления: при высокоточном поддержании дай-лений порядка I ГПа-1,6 ГПа удается синтезировать Полимер! с плотностью вода и прочностью лепфоввннпх сталей, вещества с высокотемпературной сверхпроводимостью; при статических давлениях в десятки мегапаскалей и точном поддержании малой разности давлений обеспечивается значительное повышение производительности некоторых молекулярных фильтров; высокая точность измерения малой разности давлений при статических Давлениях до десятксн' мегапаскалей требуется для нужд расходометрия; высокоточные измерения давлений, исчисляемых единицами МПа и менее, требуются для нужд термометрии и для измерения высоты полета самолетов.

Выполненный автором анализ [I] действующей системы обеспечения единства и правильности измерения избыточных давлений, являющейся составной частью экономики страны, показал, что эта' система далека

от совершенства. С одной стороны, она не обеспечивает требуемой точности аттестации высокоточных рабочих средств измерения давления, с другой стороны, она слишком громоздка для широко распространенных средств измерения давления обычной точности. При этом она является неустойчивой на эталонном уровне как в материальном, так и в кадровом отношении. Выход из строя эталона или его ученого хранителя может надолго подорвать единство измерения в стране.

Недостатки системы обусловлены, в первую очередь, состоянием грузопоршневой манометрии, поскольку именно на грузопоршневом принципе основаны все эталоны единицы давления и абсолютное большинство образцовых приборов в обсуждаемой области давления.

Являясь основой материальной базы системы обеспечения правильности измерения давлений на различных уровнях точности от эталонов до последних разрядов образцовых приборов, отечественные грузопорш-невые манометры не имеет нормированных параметров надежности, не отвечают современным требованиям экономики и эргономики, работа с многими из них наносит ущерб здоровью операторов-поверителей.

Не всегда удовлетворяют требования по точности перспективных экспериментальных исследований и технологических процессов сами эталонные приборы, хотя по принципиальным оценкам имеется значительный резерв повышения точности. Так государственный первичный эталон единицы давления уступает по неисключенной систематической погрешности почти порядок лучшим ртутным манометрам [2,3,4,], при этом анализ основных источников неисключенной систематической погрешности методов дает соотношние 2:3 в пользу грузопоршневых маномэтров - (погрешность грузопоршневого прибора определяется, прежде всего, погрешностью эффективной площади СЭвф, имеющей

о

размерность I, , соответственно бр = 2бь; погрешность ртутного манометра определяется погрешностью плотности ртути, которая измеряется при погружении в нее тела известного объема, таким образом др > ЗЫ,). За рубежом различие погрешностей лучших груза-

поршневых и ртутных мер давления существенно меньше, и соответствующее отношение погрешностей достигает 5:4 [5,6]. Применяемые методы и средства аттестации исходных приборов п поверки вторичных имеют малую производительность, не обеспечивают достаточной объективности получаемых результатов.

В последние годы остро встал вопрос обеспечения выполнения поверок (аттестаций) вторичных грузопоршневых манометров на местах их применения. В первую очередь это касается грузопоршневых манометров высокого давления, поскольку не все из них транспортируемы. Повышенный интерес к высокоточному измерению высоких давлений во всем мире привел к постановке на международном уровне проблемы создания возимого эталона сравнения для этой области, проведены первые сличения национальных эталонов единицы давления под эгидой МКМВ. Однако работа в этом направлении практически застопорилась из-за отсутствия малогабаритного возимого грузопоршневого эталона сравнения. В результате страдает научно-техническое международное сотрудничество в областях, связанных с применением высоких давлений, так как единство измерений на должном уровне не обеспечивается.

Практически невозможно в настоящее время обеспечить единство измерения малых, разностей давления при повышенных статических давлениях. Здесь нет не только эталонных, но даже образцовых приборов, в результате страдает расходометрия на магистральных трубопроводах, страна несет убытки при расчетах за' экспортные поставки нефтепродуктов.

1.2. Цель работы.

Разработать теоретические модели, осноёы конструирования, технологии, методы метрологической аттестации й рационального применения грузопоришевых манометров избыточного давления, систему обеспечения единства и правильности измерения избыточных давлений

манометрами, обеспечивающие перспективные требования по точности, устойчивости, экономичности с . учетом реальных возможностей народного хозяйства.

1.3. Состояние вопроса и основные направления исследований

1.3.1. Теория грузопориневых манометров, созданная М.К.Жо-ховским [7] для цилиндрических деформируемых поршневых пар, и доработанная затем В.В.Бахваловой (8,9] для нацшшндрических пар, базируется на точном решении модельной гидродинамической задачи. ■Поскольку полная система дифференциальных уравнений, описывающих работу; грузопоршневого манометра ре поддается решению в радикалах, задача упрощалась на стадии постановки так, что в конечном счете она была приведена к классическим задачам гидродинамики, не учитывавшим специфику работы грузопоршневых манометров, особенно в области высокого давления. Полученные решения распространялись на реальные приборы, при этом степень приближенности решений оценить было практически невозможно; кро^в того, ряд факторов не учитывался (например сжимаемость жидкостей, их тешюфйзические и реологические параметр!, несоосность поршня с цилиндром). Это не позволяло выполнить достаточно надежно оценку неисключенной систематической составляющей погрешности прибора, предназначенного для аттестации в качестве государственного специального эталона единицы давления на область высоких давлений.

Недостатки теоретической модели не позволяли определить оптимальные геометрические параметры стальных поршневых пар высокого давления выпускавшихся• серийно грузопоршневых манометров Еысокого давления МОП-ХСШЭ и МОП-1БООО, в результате трудоемкость Их изготовления была чрезвычайно высокой, до 90 % прошедших почти полный технологический цикл заготовок поршневых пар уходило в брак. Отсутствовали основы проектирования измерительных мулътипли-

каторов, технология их изготовления полностью определялась личным опытом слесаря, занятого на этих работах. В результате эксплуатационные свойства грузопоршневых манометров высокого давления оказывались весьма низкими.

Крайне затруднены были сличения грузопоршневых манометров мзкду собой, причем как в области высоких давлений, так и в области средних давлений, если требовалось получить результат сличения с погрешностью менее 0,01 %. Сами результаты сличений существенно зависели от того, каким оператором они были получены. Для получения более надежных результатов приходилось применять специальные методики, уменьшающие влияние неумышленной подгонки. В итоге для сличения двух поршневых пар из состава госэталона высокого давления требовалась работа двух операторов в течение четырех месяцев.

За. рубежом в грузопоршневой манометрии используются два основных направления • развития. Первое реализует принцип Контролируемого зазора [10-19], сущность которого заключается в уменьшении (при помощи регулируемого противодавления на цилиндр) зазора в поршневой паре с очень коротким рабочим участком канала до очень малых величин. Аппаратурно громоздкий, этот метод позволяет без применения теоретической гидродинамики получать сравнительно небольшие погрешности аттестации поршневых пар, однако отсутс!вие теоретической базы не позволяет реализовывагь на его основе наиболее точные приборы. Второе направление использует длинные поршневые пары и основано как раз на гидродинамических моделях поршневых пар.

Необходимость в развитии теоретических моделей длинных поршневых пар высокого давления за рубежом до последнего времени была существенно меньше, чем в нашей стране из-за ' того, что там легко реализуются поршневые пары из карбида вольфрама (имеющий втрое больше модуль Юнга, чем сталь), не требующие применения

- о -

противодавления [20,21], а имеющееся технологическое оборудование позволяет выполнять поршневые пары с высокими параметрами нацилиндричности [22].

Наиболее полно теоретические основы грузопоршнеьой манометрии за рубежом'изложены в пятитомнике НФЛ (Великобритания) [23]. В этой монографии приведены и выражения, позволяющие учитывать как деформацию, так и начальную нецилиндричность поршневых пар, но последнее - без вывода и соответствующих ссылок на первоисточник (им по праву должна быть одна из работ В.В.Бахваловой). Отставание в теории в некоторых случаях приводит к неправильному применению полученных выражений для поправок. Так в [24] имеющаяся нецилиндричность номинально цилиндричных поршневых пар была учтена неполностью, что привело к существенному расхождению размера воспроизводимых дапвлений при сличениях ртутного и грузопоршневого эталонов единицы давления. Имеющиеся теоретические представления также не дают возможности осознать причину экспериментально обнаруженного в последнее время непостоянства эффективной площади поршневых пар с газовой смазкой при работе в • режиме воспроизведения абсолютных давлений с использованием различных газов [25,26], что не позволяет в полной мере реализовывать доступную точность линейных измерений при аттестации эталонных поршневых пар.

В нашей стране вольфрам очень дефицитен, практически не имеется технологического оборудования для получения беспористых заготовок, так что для воспроизведения высоких давлений мы вынуждены применять заведомо нецилиндричные стальные поршневые пары с противодавлением, соответственно совершенствовать теоретические модели таких поршневых пар. Технологические сложности не позволяют получить желаемые отклонения от цилиндричности для поршневых пар среднего и малого давлений, что "пять-таки требует дополнительных теоретических и методических

проработок. До последнего времени не удавалось создавать поршневые-пары, работающие на газе, соответственно этот раздел теории грузопоршневых манометров не разрабатывался.

1.4. Научная новизна.

1. Созданы новые теоретические модели грузопоршневых манометров'избыточного давления. В отличие от существовавших, данные модели позволяют оценивать погрешность получаемых расчетных соотношений, охватывают более широкий круг физических явлений, происходящих в грузопоршневых манометрах при раз.личных режимах работы.При этом впервые учтено влияние на воспроизводимое давление сжимаемости рабочей среды (жидкости или газа), ее реологических и теп-лофизических свойств, уточнена картина переходных процессов, сопровождающих работу грузопоршневых манометров. Разработанные модели позволяют проводить экспериментальную проверку расчетных соотношений. Разработана более полная теоретическая модель поршневой парн Бридкмена (пары с противодавлением), позволившая определить оптимальный профиль канала цилиндра и таким образом на порядок снизить трудоемкость изготовления этих пар при одновременном существенном улучшении их параметров (в частности, впервые удалось создать стальные поршневые пары с очень малым барическим изменением эффективной площади - до 0,02 % при давлении-1,6 ГПа).

Создана теоретическая модель измерительного мультипликатора, позволившая рассчитать допустимое смещение осей входящих в него поршневых пар, определить направление совершенствования конструкции измерительных мультипликаторов и поршневых пар с целью получения лучших параметров соосности элементов поршневых пар, создания многопредельных измерительных мультипликаторов.

2. Впервые разработаны основы конструирования и технологии изготовления грузопоршневых манометров с высокими параметрами эко-

номичности и гарантированными параметрами надежности.

Разработаны технические решения, позволившие существенно уменьшить массу гидравлических элементов высокого давления, впервые ре-реально удовлетворить требования техники безопасности при сборке и ремонте установок высокого давления, а также создать не имеющий аналогов портативный грузопоршневой эталон сравнения высокого давления, что дало возможность проводить международные сличения эталонов высокого давления и выполнять периодическую поверку нетранспортабельных образцовых средств измерения высокого давления.

3. Разработаны доступные многим органам государственной и ведомственных метрологических служб высокопроизводительные методы и аппаратура для независимой метрологической аттестации эталонных грузопоршневых мер избыточного давления с погрешностью меньше, чем у существующих государственных эталонов, что позволяет обеспечить в будущем доступность эталонов избыточного давления потребителям, нуждающимся в высокоточных измерениях.

4. Разработаны высокоэкономичные методы экспрессной метрологической экспертизы вторичных грузопоршневых манометров на местах их эксплуатации, без сличения с приборами высших разрядов, а также высокопроизводительные методы и автоматизированная аппаратура для сличений грузопоршневых манометров с погрешностью до 1*10 ,. '

5. Разработана перспективная модель системы обеспечения единства и правильности измерений избыточных давлений с учетом реального распределения рабочих средств измерения по классам точности и верхним пределам измерений, базирующаяся на новых методических и технических разработках, позволяющая в десятки раз снизить затраты на поддержание единства измерения г-данной области.

1.5. Внедрение результатов работ.

1.5.1. Разработанные теоретические модели, аппаратура и мето-

да экспериментального исследования грузопорсчрвчх ч.чнсгэтпо" .зксс.-кого давления применены для аттестации государственного спениаль-ного эталона единицы давления на диапазон дзвлеиш! - J SCO (ГЭТ 43-73'.

1.5.2. Разработана методика поверки образцовых грузопоршчевм-: манометров с измерительным мультипликатором Ь'И 1Г>о-~*

1.5.3. Созданы:

- рабочий эталон единицы давления на диапазон 0,1 - 1.6 Г'Па Ф37 '43-1-80), действует во ВНИИОТРИ,

- военный эталон единицы давления на диапазон 0,025 - 250 МПч (ВЭ-34).

- образцовые многопредельные-измерительные мультипликаторы с поршневыми парами Бриджмена на диапазоны воспроизводимых давлений с верхними пределах®! 0,25, 0,6, 1 и 1,6 ГПа классов точности 0,1 и 0,2, вошедшие в состав поверочных установок УГВД-Ш (ТУ 50-354-83-ЛУ); установки впервые для аппаратуры высокого давления имеют гарантированные параметры надежности, а межремонтный технический ресурс измерительных мультипликаторов соответствует сроку слу.гбы 20 лет (для предшествующих приборов МОП-15000 он составлял десятки часов) расширенный благодаря многопредельности MTW диапазон воспроизводимых давлений позволил существенно повысить коэффициент использования установки и соответственно спи -зить стоимость поверки одного прибора на установке; подлинники конструкторской документации переданы Киевскому заводу "Эталон". изготовленные установки применяются в МЦСМ, НПО "Энергия", ВНИ ИФГРИ, в настоящее время 03 ВНИИФГРИ изготавливает такую уста новку для МПО "Манометр",

- портативный многопредельный измерительный мультипликатор эталонного класса Мультибар с поршневыми парами высокого давления на диапазоны воспроизводимых давлений с верхними пределами 60, 250, 600 и 1200 МПа: благодаря малой массе (8 кг, то есть на порядок меньше, чем у существующих аналогов) такие приборы находят при-

мэнение пре.где всего в качестве возимого эталона сравнения, для образцов!,IX приборов этого типа характерны малые затраты на периодическую поверку; благодаря применению Мультибара впервые в мировой практике были выполнены международные сличения эталонов высокого давления Сдо 600 МПа) с высокой точностью? а также выполнена поверка на месте эксплуатации (НТИИМ, Нижний Тагил.) нетранспортабельных ■ грузопоршневых манометров высокого давления фирмы Буденберг (Великобритания) с верхним пределом воспроизводимых давлений 800 МПа; приборы Мультибар нашли применение в ведомственных метрологических службах МГУ им. Ломоносова и НПО "Энергия",

многопредельная мера давления - измерительный мультипликатор "Мультибар-С с диапазоном воспроизводимых давлений 5 кПа - 1,2 ГПа и массой 3 кг, совме:даюшдя достоинства Мультибара и, кроме того, пригодная для независимой метрологической аттестации на месте эксплуатации с погрешностью порядка 0,0006 % в области давлений до 250 МПа, а в области более высоких давлений - О,05 % Сна уровне действувшэго рабочего эталона), приборы этого типа применяются, кроме ВНИИФГРИ, во ВНИИМЗе, ИЭМ РАНФ, НТИИМ (Нижний тагил), НИИФИ (Пенза),

многопредельная мера давления - измерительный мультипликатор "Мультибар-Л", воспроизводящий высокие давления без аддитивной добавки, обусловленной весом поршней низкого и высокого давления, (впервые измерительный мультипликатор предназначен для работы с. горизонтальным расположением оси), класс точности 0,02, масса 2,5 кг, применяются в составе автоматических поверочных установок' АЗДГ- 2500 (автор разработки к.т.н. А.М.Кипнис, ВНИИМС), - методика и комплект аппаратуры для независимой метрологической аттестации эталонных грузопоршневых манометров с погрешностью, соответствующей лучшим национальным эталон,ам единицы давления, то есть порядка, единиц шестого знака; применяются во ВНИИФГРИ, '-.злектронныр приборы Уровень и Бар-баланс для прямого сличения

ния грузопоршневых манометров среднего давления, впервые пеапизу-кшие автоматический режим сличения, они применяются во ВНИИФТРН и в составе военного эталона ВЭ-34, четыре таких прибора попго-тавливаются для оснащения ведомственных метрологических МПО "Манометр" и РАН,

высокопроизводительный комплекс аппаратуры для сличения груио поршневых манометров высокого давления дифманометрическим дом с погрешностью сличения менее 1 кПа.

1.5.4. Проведены международные сличения эталонов йиссгог-'' давления до 0.6 ГПа под руководством СССР и при участии ГДР и РНр результаты сличения одобрены Рабочей группой WS.

1.5.5. Разработанные технологические процессы внедрены на Л'> нецком заводе "Эталон" и МПО "Манометр".

1.6. Апробация работы.

1.6.1. Материалы диссертации докладывались-, на 1 Всесоюзно»/ совещании по физике и технике высокого давления в г. Донецке п 1973 г., на V международном симпозиуме по физике и технике высоко го давления в Москве в 1975 г.*, на Международном симпозиуме по метрологии "Инсимет-82" в Братиславе, на международной конференции "Высокие давления в науке и технике" в [£иеве в 1989 г., на Рабочей группе по высоким давлениям МКШ в Париже в 19В9 г.. на Всеакале-мической школе по проблемам метрологического обеспечения и стан дартизации в 1990 г. в Москве.

Выполнены сличения созданных и аттестованных грузопоршневых манометров с государственным первичным эталоном единицы давления СССР при давлениях до 600 кПа, с национальными эталонами ряда стран через эталон сравнения МКМВ при давлениях до 100 МПа [27], с национальными я галопчип единицы давления стран восточно-европейского региона при n'V'jT'-nni'y до б'О МПз [?Я1. Через репер давления -'[гарн ый R«-po4on ptyiH при n"c • проворит сличения госулзротренно-

го аталона высокого давления СССР с национальными шкалами давления других стран [29]. Рабочая группа по пысоким давлениям МШЗ на заседании в мае 1991 г. в результате рассмотрения представленных материалов сочла возможным использовать разработанный автором прибор Мультибар-С в качестве эталона сравнения в предстсЙщих межрегиональных сличениях национальных эталонов единицы давления в диапазоне давлений до 1 ГПа [30].

1.7. Публикации.

1.7.1. Основное содержание диссертации изложено в 28 опубликованных научных трудах автора. Результаты работы включены в отчеты и бюллетени Международного Комитета Map и Весов, в труды международных конференций и симпозиумов.

2. К зашцте выносятся следующие положения.

2.1. Разработанные новые теоретические модели грузолоршневых манометров более полно, чем предшествующие, учитывают особенности работы этих приборов и позволяют рассчитывать воспроизводимые ими давления с погрешностью до (h/r), где h - радиальный зазор, а г -радиус поршневой пары.

2.2. Разработанные методы и аппаратура для метрологической аттестации эталонных грузопоршневых манометров позволяют в несколько раз снизить неисключенную систематическую погрешность эталонов единицы давления, методы и аппаратура сличения грузопоршневых манометров позволяют сличать эталоны и образцовые приборы с погрешностью до 0,0001 % при средних давлениях и до 0,001 % при высоких давлениях, при этом более чем на порядок повышена производительность.

Г.З. Выявлены глчс-.ные факторы, определяющие параметры точности. надежности и экономичности груэопсршневых манометров на

стадиях изготовления, аттестации и эксплуатации, разработанные основы рационального проектирования и технологии позволяют существен-? но улучшить отечественные грузопоршневне манометра.

2.4. Реализация научно-технических решений данной работы позволяет создать в будущем перспективную экономичную систему обеспечения единства и правильности измерения избыточных гидростатических давлений, обладающую повышенной устойчивостью эталонной базы и обеспечивающую доступность потребителям высокоточных измерений эталонного уровня точности.

- 153. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

3.1. Модель деформируемой поршневой пары.

Постановка задачи: создать модель обобщенной поршневой пары, то есть нецилиндрической деформируемой пары, работающей на жидкости или газе, свойства которых зависят от давления и температуры. Модель должна иметь оцениваемую погрешность и быть проверяемой экспериментально желательно по основному параметру -эффективной площади поршневой пары э0ф. Последний определим, как в [7]: БВф=1^/ро, где ы - масса поршня с грузами, е - ускорение свободного падения, ро- воспроизводимое давление (поправка на уменьшение веса за счет выталкивающей силы воздуха для простоты в данном выражении опущена).

Для моделируемых поршневых пар характерно наличие малого параметра - отношения радиального зазора к радиусу поршня: е=1г/г, е^Ю-3 - Ю-4. Учитывая малость е, задачу нахоадения эффективной

площади поршневой пары целесообразно решать с точностью до е , что вполне соответствует перспективным требованиям по точности, предъявляемым к эталонам единицы давления.

-Схема рассматриваемой поршневой пары приведена на рис.1.

я Реальный наклон боковых поверхностей к

оси невелик, так что выполняются соотношения: агд/вг^е, '¿Гц/дил-е (русские индексы п и ц указывают на поршень и цилиндр). Гидросреда действует в осевом направлении на торец поршня с силой РТ=Р03ПО (индекс о указывает на место поперечного сечения г=0) и на боковую .поверхность с силой Полная сила равна их сумме и. уравновешивается весом поршня с

Рис Л

грузами. Сила Рт легко определяется с учетом деформации поршня. Оценим отношение , обозначая через зо площадь кольцевого

зазора при 2=0:

р „<р я =р„• 2ТО- ь ; Р,=р„тсг?„; Р„„Л/Р„ <2а(1-2еЬа (I) апо о о го по о т о по гпо гп

о

Таким образом, для нахождения Ргп с точностью до е необходимо Р2П(3 определить с точностью до е. С учетом этого скоростью опускания поршня У2П при определении осевых проекций касательных напряжений на боковых поверхностях поршня и цилиндра можно пренебречь, так как у2г/т2Я[=30/3тЛ'е» ГД0 У2Ж - средняя скорость поступательного движения жидкости в поршневой паре.

Применим закон сохранения импульса к объему жидкости между поршнем и цилиндром в проекциях-на ось г; 'для реальных скоростей опускания поршня изменением импульса жидкости при протекании ее в поршневой паре можно пренебрегать в рамках требуемой точности решения поставленной задачи, так что в данном случае получаем уравнение равновесия сил: -

Ро5о - р2пб - ?2Цб = 0 <2>

Для нахоадения Р2пб определим разность Р2Пб - Р2Цб: г г

р2пб-р2цб= 2% -ГГП<Р2П+Т2П№ - 27С /гц<р2Ц+^Ц)<12' (3) о о

где р2 и т - проекции на ось г нормальных и тангенциальных напряжений на боковых поверхностях поршня и цилиндра.

Из постановки задачи следует, что тпгп £ тцгц обозначает: с точностью до б). Малость наклона боковых поверхностей' поршня и

цилиндра к оси г влечет соотношения:

I г

тгц р V т2п £г V " £ 0 " (4)

о о

г г

?гиб-*гив ? ¡^га^ги)*1 | 2Х ^п^п"?^ <5)

о о

Рассматривая достаточно длинную поршневую пару высокого

давления (оЮг), мы можем на основании 131,32] применить для

описания деформации поршнэвой пары решение задачи Ляме и определить радиусы поршня и цилиндра следующим образом:

гп=ьп(1+к1р+к2р0). Гц=ъц(1+к3р+к4р0), (6)

где Ьп=ьп(г) и ьц=ьц(и) отражают профиш продольного сечения поршня и канала' цилиндра в не деформированном состоянии, а 1с- коэффициенты деформации. Так как кА е, при умножении деформационных членов на ьд или Ьц произведения можно считать независящими от г (при втом совершается ошибка порядка е2, что допустимо). Таким образом радиусы поршня и цилиндра представляются как сумма трех, членов, первый из которых зависит только от г, второй - от давления в данном месте, а третий - от подпоршневого давления; это позволяет рассмотреть все известные типы деформируемых поршневых пар.

Обозначая (ъп+ьц)/2=ФСр, получим для Р2П(3:

(7)

Таким образом получаем искомое выражение для эффективной площади поршневой пары: ,

„ г Ь, -Ъ_„ ,к +к. р йЬср/Ь

Зеф [1 + +Ро (-V5 ро-Ж- Н (8)

' о

Параметр ъ в скобках дважды записан без индекса, так Как в данном случае безразлично, относится ли он к поршню или к цилиндру, и какому соответствует сечению.

Последнее выражение показывает, что распространенный в СССР термин "эффективная площадь поршня" является неточным, так как не может быть параметром одного только поршня - она является параметром ансамбля поршень-цилиндр.

При получении выражения (8) не оговаривались свойства рабочей жидкости, а также сооснос^} поршня и цилиндра, искажение поперечных сечений поршня и цилиндра. Их влияние учитывается интегралом в (8). Он обращается в ноль и значение Б0ф не зависит от этих факторов, если аъср/а^о. Для рассмотрения их влияния в общем случае

нэобходимо выполнять двойное интегрирование: по г и по углу. Для недеформируемых не цилиндрических поршневых пар с цилиндркчесским поршнем удобно пользоваться выражением для получаемым из (8), если взять интеграл, по частям,, а коэффициенты деформации приравнять нулю: ' •

г .

Это выражение впервые поручено В.В.Бахваловой [8], оно показывает,-что роль отдельных участков нецилиндрической поршневой пары в определений значения • эффективной площади определяется. падением давления на них, отсюда . введены понятия "эффективный участок" и "эффективный зазор". '

■;. Для циЛ1щдрических поршневых пар выражение' (8). совпадает ' с соответствующим.выражением, полученным Н.К.Жоховским'[7].

Поправка,на нецилиндричность и деформационная поправка в (8) могут иметь разные ..знаки, это позволяет создавать стальные поршневые пары высокого давления,' у .которых эффективная площадь почти не зависит, от давления, что и было реализовано в настоящей работе. . .

Полученные соотношения позволяют выполнять их экспериментальную проверку путем вариации распределения давления в канале поршневой пары.

• Для расчета эффективной площади нецилиндрических поршневых пар необходимо, решить уравнение движения жидкости в ее-'канале. При постановке задачи за базовые были приняты условия для эталонных пар высокого давления государственного эталона, при этом учтены: зависимость сдвиговой вязкости жидкости от давления и температуры, ее сжимаемость, объемная.вязкость, теплоемкость, теплопроводность, оценены реальные значения окружных и поступательных скоростей движения жидкости. Ориентировочные значения безразмерных параметров составили: Не=ьоУаро/г^^ е", где т) - сдвиговая вязкость

кидкости, о и ае - удельные теплоемкость и теплопроводность, рЛоТ аея?

11еЕ1=12;/ьхе , -V 1, ^ е

Ч о*2 Ч охг

Из полной системы дифференциальных уравнений методом малого параметра была выделена система безразмерных укороченных уравнений нулевого приближения по е для установившегося режима и коаксиального расположения поршня в цилиндре:

дт~0

Л Г в7!* 1

РЛ.) =°

С учетом начальных граничных условий для температуры получаем в нулевом приближении изотермический процесс течения с оцениваемой неизотермичностыо в десятые доли кельвина. Это позволяет решать . поставленную задачу для неизотврмического течения (с увеличенным масштабом по температуре) методом малых возмущений.

Основным результатом решения задачи является уравнение для

численного решения на ЭВМ с учетом реальных профилей продольного

сечения поршня и цилиндра: ...

ар бт)(р)УапГпоРо (П)

рь3(Р,2.)

Наличие в уравнении полюса третьего порядка, характерное, для поршневых пар с противодавлением, делает его решение чрезвычайно затруднительным, а во многих случаях и невозможным для всего диапазона воспроизводимых давлений. Это привело к постановке дополнительных модельных задач, рассмотренных в настоящей работе.

Справедливость полученных соотношений проверялось различными способами.

Во-перьих, поело решения системы укороченных уравнений

выполнялась проверка порядка малости отброшенных членов в уравнениях Навье-Стокса.

Во-вторых, учитывая наличия особенностей в решении, выполнялась расчетным путем на ЭВМ проверка устойчивости решения в малом методом вариации параметров.

В-третьих, методом же вариации параметров проверялась правильность расчетов экспериментально, при этом изменялись параметры рабочей среды: сдвиговая вязкость и ее барическая зависимость, сжимаемость, реологические свойства - за счет изменения самой среды (применялись глицериновые смеси, касторовое масло и полиэфирфторсодержащие жидкости) [33-35].

Экспериментально справедливость модели проверялась' по

интегральным параметам, один из них - скорость опускания поршня.

Во время этих экспериментов отмечено, что, с одной стороны, эти

проверки чрезвычайно трудоемки (не только у нас, но и за рубежом,

о чем свидетельствует, например, [22], подробнее см. раздел 3.5); ¥

с другой - само то себе совпадение скорости опускания поршня, с расчетной величиной может показать правильность расчета именно ее, но не конечного результата - эффективной площади поршневой пары. По этой причине более надежная оценка правильности теоретической модели выполнялась по эффективной площади (раздел 3.5).

Для . поршневых пар низкого давления система укороченных уравнений остается неизменной, то же относится и к поршневым парам, работающим на газе в режиме воспроизведения избыточных давлений. При анализе их работы нужно только учитывать различие зависимостей плотности жидкости и газа от давления, и практическую независимость сдвиговой вязкости от давления для газов....

Применение обобщенной модели нецилиндрической поршневой пары к паре, работающей на газе в режиме воспроизведения абсолютного давления, позволило автору найти объяснение зависимости эффективной площади от давления и применяемого газа для таких пар,'

обнаруженной экспериментально специалистами США и КНР [25,26], В [ЗБ] показано, что применявшаяся модель цилиндрической поршневой пары в данном случае непригодна, хотя если бы эта же пара фирмы веьь & НАТО работала при тех/же .Давлениях на лшбой'жидкости или в ' 'режиме воспроизведения избыточных давлений, данное явление „не наблюдалось бы. Причина/здесь в том, что при .воспроизведении абсолютного давления на газе практически весь перепад давления в поршневой паре сосредоточен на ее верхней кромке, которая.не может быть цилиндричной.,".'

Некоаксиальное расположение'поршня в цилиндре рассматривалось ранее в [37-39] для недеформируемой поршневой пары щзкого давления, при этом оценивались соответствующие отклонения эффективной площади от той, которая характерна для коаксиального расположения поршня .в цилиндре, • рассматривалось вращетвльше вращение поршня. В настоящей работе рассмотрены другие аспекты некоаксиального расположения горшця в цилиндре: собственная, скорость опускания поршня и поправка на вынужденную скорость опускания поршня прц работе поршневой пары низкого давления в качестве звдатчика давления для измерительного мультипликатора, а также влияние несоосного расположения цилиндров измерительного мультипликатора*на его метрологические, параметры.

Собственная скорость опускания поршня измеряется в эталонных поршневых "парах для определения их . зазора гидродинамическим методом й для внесения поправки к воспроизводимым давлениям на вынужденную ': скорость опускания поршня, когда поршневая пара работает в качестве задатчика низкого, давления на ■ измерительна мультипликатор [7]. До выполнения настоящей работы при'аттестациях исходных поршневых пар и определении поправок на вынужденную скорость опускания поршня использовалась модель коксиальной пары.

Выполненные автором экспериментальные проверки показали, что модель гоосной поршневой пары не соответствует• действительности.

Анализ процесса центрирования поршня в цилиндре с вертикальной осью за счет действия вязкого клина с использованием формулы Жуковского-Чаплыгина показывает, что при мылых отклонениях от коаксиальности система поршень-цилиндр представляет собой систему автоматического регулирования с пропорциональным регулированием. Это показывает, что при действии на поршень опрокидывающего момента соосное расположение его в цилиндре невозможно в принципе. Для определения реального опрокидывания поршня в цилиндре и его влияния на параметры поршневой пары необходимо рассмотреть соответствующую теоретическую модель, при этом под опрокидыванием поршня будем понимать его отклонение от соосного расположения в цилиндре за счет действия опрокидывающего момента, например'из-за расположенной над поршнем несоосной нагрузки. Модель несоосной поршневой пары с опрокинутым поршнем получена из приведенных соотношений и также может быть получена путем преобразования к дифференциальной форме формулы Беккера [40,7] и интегрирования для номинально цилиндрической поршневой пары и параллельного расположения осей поршня и цилиндра:

?2П=72П,е/ГТ5 /агоЬе еУП5 (12)

где е - относительный эксцентриситет поршня и цилиндра ,на кромках поршневой пары.

График функции'тгп(®)А *, приведенный на рис.2, можно использовать для экспериментальной оценки степени опрокидывания ¡поршня в цилиндре путем измерения скорости его опускания при вращении и беп вращения. Учет опрокидывания поршня при аттэ стации поршневых пар с использованием гидро | динамического метода определения зазора поз волит исключить соответствующую системвтичес 1 кую погрешность.

Рис.2

1.4 1.3 1.2

1 ,1

1

гп ;гп*

/

/

-24 - ■

Двойное интегрирование касательных напряжений для случая наклоненного поршня приводит к следующему выражению для корректировки поправки на вынужденную скорость опускания поршня (поршневая пара работает в качестве задатчика низкого • давления на измерительный мультипликатор):.

р /р тр' тр»

_ агсБт в

(13)

1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1

р /р тр тр*

График этой фушщии представлен на рис.2.

Сильная зависимость от степени опрокидывания поршня задатчика низкого давления при больших эксцентриситетах заставляет по-новому относиться к выбору рабочих скоростей опускания поршня высокого

давления измерительного мультипликатора. Учитывая, что профили продольго сечения

1

Рис. 3

кромок реальных поршневых пар могут быть существенно'различными, определение с достаточной точностью поправки на вынувденную скорость опускания поришя задатчика низкого давления при - больших скоростях опускания представляется проблематичным.

Представленная на рис. 3 зависимость может быть также использована для расчета требуемой мощности привода вращения поршней измерительного мультипликатора с учетом их опрокидывания •

3.2. Особенности теоретических моделей отдельных поршневых пар

. 3.2.1. Простые поршневые пары низкого давления.

. При работе, поршневой пары вытекающая жидкость образует на поверхности поршня мениск. В СССР в НТД на методы и средства поверки, в научных публикациях вопросу учета влияния мениска на воспроизводимые давления внимание не уделялось. За рубежом поправка На мениск вводится простым умножением сгграпочного

значения коэффициента поверхностного натяжения на длину окружности поршня. Экспериментальное исследование влияния мениска на воспроизводимые давления показало, что реальное значение поправки может отличаться от рассчитанного таким способом на сотни процентов. Это объясняется как отличием расчетной формы мениска от реальной (например, натекающий на поршень керосин больше похож на занавес), так и неопределенным составом применяемых жидкостей (например - того же керосина), а также различной смачиваемостью поршней жидкостями. Влияние же мениска для эталонных пар низкого давления вполне заметно: для поршневой пары с диаметром поршня 5П мм эквивалентное увеличение нагрузки составляет 30 - 50 мг уже через 15 - 20 с после высушивания поверхности поршня салфетками. По-Еидимому, в этом вопросе вряд ли стоит пытаться улучшить теоретическую модель до прямого расчета поправки, лучше обеспечить существенное уменьшение влияния мениска на воспроизводимые давления применением , специальных приемов, например фитильного съема жидкости с поршня.

3.2.2. Зависимость скорости опускания . поршня от воспроизводимого давления.

Из [7] следует, что скорость опускания поршня большего диаметра меньше при одинаковых зазорах поршневых пар и равных давлениях, поскольку скорость истечения жидкости из пары от диаметра поршня не зависит, ' а отношение площади поперечного сечения поршня к площади кольцевого зазора пропорциональна диаметру поршня. Разработчиками грузопоршневых манометров это положение применялось и к поршневым парам высокого давления. Обзорный расчет для простых номинально цилиндрических поршневых пар [29] показал, что при высоких давлениях картина обратная. Расчет выполнялся для номинально цилиндрических поршневых пар из стали й твердого сплава Ий при радиусах поршня от I до 25 мм, зазорах от 0,3 до 5 отсм и пьечокоэффицирнтях вязкости рабочей жидкости от 3 до 50 ГПа"1 (в

этом диапазоне находятся пьезокоэффициенты вязкости всех известных жидкостей). Результаты расчетов для наиболее часто встречающихся случаев представлены на рис. 4-7.

Стальные поршневые пары, У„„/У„ жидкость-глицерин

У /у Поршневые пары из ИС, 21Г о жидкость-глицерин

10 30 1>ис.4

Стальные поршневые пары, У уу жидкость-минеральное

У Поршневые пары из КС,

гтх о жидкость-минеральное

маоло ......н,"«-!;

МПа

Рис.6

Видно, что вне зависимости от пьезокоаффициента вязкости жидкрсти и материала поршневой пары увеличение радиуса поршня при высоких давлениях приводит не к уменьшению,как при малых давлениях, а к увеличению скорости опускания поршня. Это происходит по следующей причине. Деформация поршневой пары пропорциональна радиусу поршня г. Поэтому, когда она становится сравнимой с начальным зазором поршневой пары, скорость течения жидкости становится пропорциональной г3, тогда как площадь поперечного сечения пропорциональна г^. Таким образом, при высоких давлениях для уменьшения скорости опускания поршня не следует стремиться к увеличению его диаметра.

3.2.3. Модель поршневой пары Бриджмена (поршневой пары с противодавлением на всю длину рабочей части канала цилиндра).

Поршневая пара Бриджмена [41,71 до недавнего времени имела

монопольное распространение в грузопоршневых манометрах высокого

давления СССР, применяется она также в государственном и рабочем

эталонах этого диапазона. Эта пара является нецилиндрической

(типичный профиль продольного сечения цилиндра с номинальным

диаметром канала 3 мм представлен на рис.8), ►г, мм )

бо|--. в верхней части канал цилиндра умышленно

5 ю Рис.8

расширяют. Если этого не делать, то при некотором давлении сначала теряется чувствительность прибора, а затем прекращается вращение поршня. Считалось [7], что Дг^мкм щзи этом происходит закусывание поршня цилиндром, то есть' зазор в верхней части поршневой пары уменьшается до нуля. Однако автор настоящей работы показал [42], что на самом деле пережимания поршня цилиндром не происходит, и причина данного явления заключается в нарушении работы привода вращения поршней измерительного мультипликатора из-за резко возрастающего момента вязкого трения в поршневой паре высокого давления.

бРп

КО "закусывания"

-до 0,4%

В результате бриннелирования поводковой поверхности или кольца поводкового подшипника необратимо искажается после "закусывания" зависимость воспроизводимого давления от

_> н высоты поднятия поршня задатчика низкого.

Рис.9 давления Н, что представлено на'рис.9.

Высокая скорость опускания поршня при давлениях 10-20 % от верхнего предела воспроизводимых давлений и потеря чувствительности при давлениях, близких к верхнему пределу, повышенная погрешность, вносимая приводом вращения поршней, быстрый износ поршней высокого давления, еысокэя трудоемкость изготовления - вот основные недостатки грузопорщневых манометров высокого давления в прошлом. Для их устранения нужно было в первую очередь определить ,

оптималышй профиль канала цилиндра высокого давления.

Полная упруго-гидродинамическая задача для данного случая не

решается для всего диапазона воспроизводимых давлений из-за

отмеченных выше трудностей численного интегрирования уравнения (II).

Поэтому была поставлена модельная задача по определению влияния

распределения давленая в поршневой паре на скорость опускания

поршня и требуемую мощность привода вращения, при этом за исходное

распределение давления было взято линейное, и к нему добавлялась

экспоненциальная нелинейность. Решение этой задачи показало

направление оптимизации профиля канала цилиндра поршневой пары

Бридкмена, что позволило на порядок уменьшить трудоемкость

изготовления такчх пар, вдвое уменьшить максимальную допустимую

скорость опускания поршня и применять в поверочных установках в

качестве задатчика низкого давления стандартные грузопоршневые

манометры МП-60, увеличить допуск на износ поршня и соответственно

межповерочный интервал и межремонтный ^ресурс грузопоршневых

,мм

манометров высокого давления. бо|----

Окончательная практическая отработка профилей продольного сечения канала цилиндров разных номинальных диаметров (они представлены на рис.10) позволила также гарантированно получать поршневые пары с почти отсутствующей барической зависимостью эффективной площади: АБ^р) . 6 уменьшена с 0,7 % при I ГПа до 0,02 %. Это дает возможность при необходимости аттестовывать такие пары беа сличения с эталоном, а также создавать многопредельные грузопоршневые манометры с использованием одного комплекта грузов.

- 293.3. Модель измерительного мультипликатора (обеспечение соосного расположения поршней в цилиндрах).

Механическое соединение поршня низкого давления с поршнем высокого давления в измерительном мультипликаторе находится в противоречии с условиями работы поршневых пар: рабочие зазоры в поршневых парах составляют единицы микрометров и менее, при работе на поршень высокого давления действует осевая нагрузка до 10 кН, а на центрирующую буксу уплотнения цилиндра высокого давления - до I МН.

Анализ размерной' цепи и измерения с помощью разработанной специальной аппаратура показали, что реальное смещение осей поршневых пар измерительных мультиплйкаторов при работе составляет от 0,02 до 0,2 мм. Понятно,что при этих условиях вряд ли можно ожидать большой межремонтный ресурс этих приборов. Было неясно, почему они все-таки работают, какая при этом возникает погрешность и каковы должны быть допустимые параметры несоосности для того, чтобы эта погрешность была достаточно малой.

Упруго-гидродинамическая задача решалась для поршневой пары Бриджмена. Анализ условия гидродинамического центрирования поршня высокого давления в цилиндре на основе применения формулы Жуковского-Чаплыгина, приведенной к дифференциальной форме, показал, что на притертой части поршня высокого давления (см* рисЛТ) Ч^лесоооразна выделить две зоны: зо- ; ну эффективного центрирунцего действия вязкого клина и зону выше нее, названную свободной.

Ширина первой зоны определена путем кусочно-линеИного задания распределения давления в поршневой паре. В этой зоне деформацию поршня с учетом центрирущего действия вязкого клина удалось описать, приведя решаемую задачу к классической задаче об изгибной деформации балки на упругом основании. Верхняя част!

Свободная зона

Зона действия вязкого клина

Рис.II'

поршня, для которой характерно практически полное отсутствие центрирующего действия вязкого клина, в измерительном мультипликаторе работает как упругий элемент сопряжения осей цилиндра низкого давления и цилиндра высокого давления. Этот вывод позволил не только рассчитывать допустимые смещения осей цилиндров в мульти-Ьликаторе на уровг.е головки поршня высокого давления.

Стала понятной причина неудачных попыток создания измерительных мультипликаторов с ||

увеличенным диаметром поршня высокого давления для снижения верхнего предела I

воспроизводимых давлений - повышенная из-гибная жесткость свободной части поршня. Найден путь успешного решения этой задачи - выделение в верхней части поршня высокого давления участка повышенной гибкости. Пример выполнения такого поршня приведен на рис.12. Рис.12

3.4. Переходные процессы в грузопоршневых манометрах.

3.4.1. Режим работы на замкнутую полость.

Этот режим работы ранее рассматривался в [7] для цилиндрических поршневых пар низкого давления без учета сжимаемости рабочей жидкости, в результате был получен апериодический переходный процесс с постоянной времени порядка I мко. Автором настоящей работы анализ переходных процессов был выполнен с учетом сжимаемости жидкости, для поршневых пар низкого и высокого давления, цилиндрических и нецилиндрических, отдельных и работающих в составе измерительного мультипликатора [43]. Уже один учет' сжимаемости жидкости существенно изменил представления о переходных процессах в грузопоршневых манометрах: в большинство

случаев характер оказался колебательным, а время затухания составило по расчетным оценкам от десятых долей секунды до секунд. Эти данные подтверждались во всех экспериментах. Полученные результаты оказалось необходимым учитывать при создании автоматических задатчиков гидростатического давления на основе грузопоршневых манометров. Кроме того, они дают возможность введением силовой положительной обратной связи создавать на их основе генераторы незатухающих переменных составляющих давления, что может оказаться полезным для сличения эталонов статического и динамического давлений.

3.4.2. Прямые сличения грузопоршневых манометров.

В [44] выполнено решение уравнения Лагранжа для получения картины переходных процессов при сличении грузопоршневых манометров низкого давления. В работе автора [43] анализ переходных процессов был выполнен решением системы дифференциальных уравнений движения также для поршневых пар низкого давления, при этом расмотрены конкретные типичные ситуации. Анализ показал, что метод гидростатического уравновешивания поршней, считавшийся безупречным по надежности, на самом деле в чистом виде не реализуем из-за наличия в переходном процессе или слабо затухающей колебательной компоненты большого периода, или экстремума при апериодическом процессе. Это приводит к появлению значительной погрешности сличений, провоцирует неумышленную подгонку результатов уравновешиваний оператором. Дело в том, что при сличениях этим методом экстремальные положения поршней оператором воспринимаются как установившееся равновесие, поскольку вопросы практического характера в [44] не рассматривались, и все нормативно-технические документы на методы сличения грузопоршневых манометров (при поверках) построены на классическом понимании данного метода, то есть просто предписывают выполнять уравновешивания до достижения равенства скоростей опускания поршней сличаемых манометров.

Новое понимание процесса гидростатического уравновешивания поршней позволило разработать и ноше приемы сличения, а также соответствующую сервисную аппаратуру. Об их эффективности можно судить по следующим фактам. При аттестации поршневых пар государственного эталона высокого давления для получения отношения Эффективных площадей двух поршневых пар при номинальном отношении

с

20 с погрешностью порядка 10 потребовалась работа в течение четырех месяцев одновременно двух операторов. С применением новых Ьриемов и аппаратуры сличение таких пар выполняет один оператор с Погрешностью Ю-6 менее чем за час.

3.5. Экспериментальное исследование грузопоршневых манометров, отработка конструкции и технологии.

3.5.1. Экспериментальная проверка правильности расчетов эффективной площади поршневых пар, определение инструментальных погрешностей.

3.5.1.1. Возможность экспериментальной проверки правильности расчета эффективной площади поршневой пары вытекает из выражений (9,11). Первое показывает, что для нецилиндрической поршневой пары влияние на эффективную площадь всех особенностей работы, в том числе параметров нецилиндричности, свойств жидкости и упругих параметров материалов поршня и цилиндра, проявляется через распределение давления. Следовательно, для проверки правильности расчета эффективной площади с учетом всех факторов целесообразна провести эксперимент с вариацией распределения давления. Уравнение (II) показывает, каким путем это можно сделать. Наиболее удобно Изменять рабочую жидкость или зазор. Автор выполнял как эти эксперименты, так й другие, в которых сличались поршневые пары' разного типа (простые с парами Бриджмена). В ходе этих экспериментов была практически подтверждена оценка точности теоретической модели поршневых пар.

Применение нецилиндрических поршневых пар для проверки правильности методов аттестации любых поршневых пар хорошо тем, что в данном случае проверяется дополнительно йравильность определения зазора, причем прямым путем - через влияние на эффективную площадь. Такая проверка может выявить, например, пристенный неподвижный (или менее подвижный, чем по модели Ньютона) слой жидкости,, что в экспериментах с цилиндрическими поршневыми парами обнаружить труднее.

Установлено, что экспериментальное исследование пошневых пар

через их сличения (то есть через.сравнивание эффективных площадей) существенно надежнее, чем при использовании косвенных методов, например - по скорости опускания поршня. Кроме отмеченных выше переходных процессов, на практике обнаружены весьма длительные процессы установления скорости опускания поршня с постоянной времени в десятки минут. Так в наших экспериментах с поршневой парой при давлении всего 300 кПа время установления скорости опускания поршня составило 1,5 ч, и за это время она уменьшилась в три раза. Это явление медленного установления скорости опускания поршня ранее не было описано в литературе, его просто не замечали, находясь в плену принятых теоретических моделей. Так при исследовании в Париже [22] эталона сравнения для проведения по линии МКМВ международных сличений национальных эталонов в диапазоне давлений до 100 МПа французские специалисты обнаружили гистерезис скорости опускания поршня при подъеме и снижении давления. Однако они сочли, что выявленный гистерезис является характерной особенностью этого прибора, а измеренные скорости движения поршня - установившиеся, поскольку повторные измерения через 10 минут не обнаружили тенденции к изменению. Ошибочность этого мнения доказывает тот факт, что при некоторых давлениях скорость опускания поршня при снижении давления была отрицательной.

3.5.1.2 Для измерительного мультипликатора и для некоторых грузопоршневых' манометров с прямым нагружением поршня характерно наличие привода вращения поршней. Для определения погрешности, вносимой им в воспроизводимые давления разработан эксперимент о вариацией скорости вращения. Изменение воспроизводимого давления при удвоении скорости вращения, р, соответствии с ньютоновской моделью жидкости, равно искомой погрешности. Наличие погрешности привода вращения накладывает ограничения на уменьшение зазора в поршневых парах, так что приходится выбирать некоторый оптимальный

зазор: с одной стороны, он должен быть достаточно малым, чтобы была мала погрешность от несобственной скорости опускания поршня с учетом его опрокидывания; с другой стороны, он должен быть достаточно большим, чтобы уменьшить погрешность привода вращения поршней. Если предоставлена свобода выбора рабочей жидкости, можно этим воспользоваться, учитывая, что скорость опускания поршня пропорциональна отношению ъ. /т), а погрешность привода вращения -штук, где ш - скорость вращения. Таким образом, когда можно, лучше применять маловязкие жидкости и пониженные скорости вращения поршня, за счет этого соответственно уменьшать зазор в поршневой паре.

3.5.1.3. Вопрос изменения эффективной'площади поршневой пары при эксплуатации является общим для поршневых пар любого типа.' Выполненные исследования показали, что имеется несколько основных причин износа поршневых пар.

I. Абразивный износ'Новых поршневых пар из-за шаржирования -наличия технологического абразива, внедрившегося в поверхность поршня и цилиндра. Степень шаржирования существенно зависит как от материалов поршня и цилиндра, их термообработки, так и от технологии доводки. Особенно сильно страдают от шаржирования стандартные грузопоршневые манометры типов МП-б и МП-60 разных модификаций, поскольку их цилиндры сделаны из медных сплавов. Именно в этом заключается основная причина бракования таких приборов после первых двух лет эксплуатации. Нами отработаны основы конструирования и технологии изготовления стальных поршневых пар о обеспечением их технологического дешаржировакия. Найден и простой метод контроля завершения дешаржировяния - проверка свободного вращения поршня в цилиндре без смазки, па воздухе, В настоящее время все вновь изготавливаемые поршневые пары нашей разработки проходят испытание на зпвершение дегааржирования. Решение проблемы деиаржироваш1л псрпшевыт пар впервые создало возможность

изгота&пивать груэодаршввае манометр} для штатной-работе на газе» что особенно актуально для низких давлений, при которых погрешность, вносимая гидростолбом рабочей жидкости, мешает работе.

2. Абразивный износ за счет загрязнения рабочей жидкости. Превде всего, -то касается грузопоршневых манометров из состава поверочных установок высокого давления прежних разработок. Установлено, что рабочая жидкость - смесь глицерина с этиленглико-лем - вызывает электрохимическую коррозию плунжеров силовых мультипликаторов установки из-за наличия контактирующих с ними уплотнительных колец из медных сплавов. При этом образуются и нерастворимые твердые частицы, которые при обратном ходе штоков снимаются с их поверхности и затем при повторном повышении давления выносятся в грузопоршневой манометр. Вторым источником такого загрязнения был сетчатый фильтр, сетка которого была также из медного сплава. Замена уплотнительных колец на такие же из мягкой стали, применение отстойника вместо фильтра позволили полностью избавиться от этого источника загрязнения ■ рабочей жидкости. Только одна эта мера позволила увеличить ресурс поршней высокого давления с 30 - 50 ч до 500 - 1000 ч.

Внешним источником загрязнения, рабочей .жидкости в поверочных установках высокого давления являются поверяемые рабочие приборы. Практически.все они имеют глухую полость, в которой скапливается при эксплуатации и транспортировании все, что угодно;-при поверке загрязнения из этих полостей попадают в гидросистему установки и далее - в грузопоршневой манометр.

Единственная радикальная мера в этом случае, позволяющая убрать саму причину, - разделение гидравлической системы поверочной установки на две изолированных части вентилем высокого давления, открываемым только на время сличения, повышение ие и понижение давления в них выполнять при закрытом вентиле. Эта мера

была реализована при проектировании поверочных установок УПВД-МП с грузопоршневым манометром. Разновидностью ее является использование грузопоршневого манометра в качестве встроенной меры давления, применяемой для периодической аттестации (градуировки) другого образцового прибора, например манганинового или тензорезистивного преобразователя давления, который не боится загрязнений рабочей жидкости, но обладает недостаточной стабильностью для аттестации его с большим межповерочным интервалом.

Уменьшить абразивный износ поршневых пар может рациональный выбор материалов. На сегодняшний день мы практически лишены возможности применить для поршневых пар сверхтвердые материалы, например - карбид вольфрама, как зто делают лучшие фирмы за рубежом. Однако и наши поршневые пары можно сделать существенно' более износостойкими. Во-первых, нужно как можно быстрее отказаться от применения цилиндров из медных сплавов. Их целесообразно заменить на цилиндры из нержавеющей стали - в этом случае можно будет применять в качестве рабочей жидкости воду для поверки кислородных манометров; лучше, если это будет сталь 95Х18Ш, но можно и 40X13. Кроме того, целесообразно применять износостойкие покрытия с малым коэффициентом трения и противоза-дарнкми свойствами. До нас в нашей стране такие покрытия пытались применять при изготовлении поршневых пар, однако положительный результат достигнут не был, создалось убеждение-, что на поршневых парах, особенно высокого давления, покрытия не дэржйтся. Нам удалось отработать размерное нанесение твердого пористого хромового покрытия на поршни. Практика применения таких поршней в составе грузопоршневого манометра установки УВД-ЮООО МПО "Манометр" в течение 6 лет показала, что кх износостойкость примерно на порядок выше, чем поршней беп покрытия (точнее сказать трудно, поскольку раньше поршень приходилось менять на новый каждый год, а покрытый работает без износа уже 6 лет). В настоящее

время отрабатывается нанесение химического никелевого покрытия на цилиндры. Применение покрытий позволит упростить и процесс дешаржирования. так как неудаленный абразив будет закрыт.

3. В измерительных мультипликаторах источником инструментальной погрешности является несоосное расположение цилиндров. Для определения параметров их несоосности был разработан прибор, который позволял проводить измерения как после сборки мультипликатора, так и при высоком давлении в корпусе. Выполненные измерения показЕли, что в реальных измерительных мультипликаторах грузопорш-невых манометров МОП-ЮООО и М0П-15000 смещение головки поршня высокого, давления относительно цилиндра низкого давления при атмосферном давлении составляло несколько сотых долей миллиметра (до 0,05 мм), при повышении давления оно изменяется и в отдельных случаях доходило до 0,2 мм при оцененном допуске 0,02 мм.

Для устранения этого недостатка в существующие приборы были внесены изменения в части центрирования цилиндра высокого давления под нагрузкой (внесен упорный шарнир [29]), что практически полностью исключило подвижку оси цилиндра высокого давления при повышении давления. В последующих разработках измерительных мультипликаторов смещение головки поршня высокого давления относительно оси цилиндра высокого давления обеспечивалось в пределах нескольких микрометров сокращением размерной цепи между осями цилиндров и технологическими приемами.

3.5.1.4. Выполненные исследования показали, что серийно выпускаемые грузопоршневые манометры Индрика МП-600 и МП-2500 изготавливаются без контроля цилиндричности побитовых пар. В результате их барические зависимости эффективной площади не соответствуют применяемой модели цилиндрических пар. Учитывая, что аттестация манометров МП-2500 выполняется сличением с рабочим эталоном только в первой четверти диапазона воспроизводимых давлений, можно утверждрть, что при игом но гарантируется

получение заданной погрешности приборов. Это положение усиливается при переводе данных манометров на рабочие жидкости с другим пьезокоэффициентом вязкости по сравнению с применяемым касторовым маслом, что наглядно продемонстрировано в [35].

3.5.1.5. Практически общим недостатком приборов первого разряда и рабочих эталонов среднего давления, приводящим к появлению погрешностей при работе, является плохой статоскоп, предназначенный для определения взаимого перемещения поршней сличаемых грузопоршневых манометров. Отчасти это можно объяснить тем, что до настоящего времени не было практических основ конструирования грузопоршневых манометров - требуемая разрешающая способность статоскопов не рассчитывалась. В последние несколько лет были предприняты попыткч улучшить положение, однако практические сдвиги к лучшему в серийных приборах весьма малы. Особенно яркий пример представляет прибор МП-6 и его новая модификация МП-6М. В первом отсчет положения поршня осуществляется чисто визуально по риске на поршне и визиру, во втором применены два' оптических микрометра от твердомера Бриннеля, что, конечно, повысило в десятки раз разрешающую способность статоскопа, но пользоваться ими практически невозможно как по принципиальной причине (нельзя смотреть одновременно в два микроскопа), так и • из-за неправильного конструктивного оформления.

Для коренного улучшения положения автором был разработан электронный статоскоп с разрешающей способностью порядка I мкм на основе применения дифференциальных трансформаторных вихретоковых датчиков положения поршней [45]. Предусмотрен и автоматический режим уравновешивания при помощи' электромагнитного рейтера. Применение этого прибора позволило кардинально упростить сличение грузопоршневых манометров эталонного класса и высших разрядов. В ведомственной метрологической службе, оснащенной таким прибором, время, требуемое для сличения поверяемых приборов с эталоном в

настоящее время составляет менее 10 % от требуемого для всего процесса поверки (ранее эта доля составляла до 90 % для высокоточных приборов). Электронный статоскоп позволяет и существенно повысить точность сличений практически без увеличения

трудоемкости. В упомянутой службе практически все сличения

...

выполняют с погрешностью порядка 1*10 . Это - реальный резерв для удовлетворения перспективных требований по точности измерения давлений.

При проведении сличений . грузопоршневых манометров высокого давления погрешность отсчета высоты поднятия поршней сама по себе не имеет принципиального значения, так как слишком мало давления гидростолба между поршнями по сравнению с воспроизводимым давлением, например при давлении 600 Ша изменение высоты поднятия поршня на I см вызывает изменение воспроизводимого давления всего на 1,6*10-7. Но при прямых сличениях индикатором равновесия является тот же поршень. Поэтому прямые сличения грузопоршневых манометров выполняются крайне медленно. М.К.Жоховским впервые была создана установка сличения грузопоршневых манометров высокого давления с использованием компаратора, образованного из двух манганиновых преобразователей давления, включенных в плечи сравнения электрического моста. Первоначально наблюдалась значительная нестабильность компаратора, не позволявшая сличать груз'.лоршневые манометры с погрешностью менее десятых долей мегапаскаля. Автору настоящей работы удалось найти основные причины нестабильности и доработать аппаратуру сличения. В настоящее время реальная разрешающая способность компаратора составляет около I кПа. Время, требуемое на уравновешивание давлений при одной нагрузке, составляет около 1-3 мин, что, как показала практика проведения международных сличений, ка 1,5-2 порящса меньше, чем при сличении методом гидростатического уряг.новешившшя на стандартной аппаратуре.

- 413.5.2. Конструкторская и технологическая проработка.

Благоприятный исход работы по повышению параметров надежности грузопоршневых манометров высокого давления и поршневых пар среднего давления позволил определить основные направления совершенствования грузопоршневых манометров избыточного давления и поверочных установок на их основе впервые как единую систему мер, направленных на снижение в конечном счете стоимости поверки рабочих приборов, обеспечение безопасности обслуживающего персонала не только в привычном понимании (снижения риска получения травмы при разрушении узлов под давлением или снижения чрезмерных требуемых физических нагрузок), на и оптимизации физических нагрузок, учет психофизиологических особенностей операторов. Кроме того, желательно заложить в конструкцию резервы для возможности расширения или изменения функций в течение срока эксплуатации. Понятно, что эти направления часто предъявляют к конструкции противоречивые требования, как и в других областях техники.

Одним из основных факторов, определяющих эксплуатационные расходы для грузопоршневых манометров высокого давления, являются расхода на периодическую аттестацию. Из-за большой массы измерительных мультипликаторов из состава установок УВД (около 60 кг), их перевозка, например, с Урала во ВНИШГРИ обходится более 2000 рублей. Повышение межповерочного ресурса позволило эти расходы снизить в 2-3 раза. Дальнейшее снижение эксплуатационных затрат возможно по следующим направлениям:

1) обеспечение выполнения периодических поверок грузопоршневых манометров на местах эксплуатации за счет применения возимых эталонов малой массы;

2) создание новых образцовых измерительных мультипликаторов малой массы, транспортирование которых к месту поверки (ВНШФТРИ) существенно облегчится;

- 423) дальнейшее увеличение можповерочного интервала, разработка методов простой метрологической проверки состояния поршневых пар на месте эксплуатации;

4) выполнение аттестации грузопоршневых манометров на местах применения без сличения с приборами высших разрядов.

Снизить стоимость поверки одного рабочего прибора можно и увеличением количества поверяемых приборов. Расчеты показывают, что в орг.чнах государственной и подавляющем большинстве органов ведомственных метрологических служб максимальный коэффициент загрузки стандартных поверочных установок высокого давления, предназначенных для поверок рабочих приборов с верхними пределами измерения более 250 МПа, составляет единицы процентов. Отсюда следует необходимость расширять область применения 'подобных установок в сторону меньших давлений. Это направление оправдано еще и тем, что поверочные установки МП-2500 и МП-600 очень неудобны в эксплуатации, требуют больших физических напряжений для создания давления и наложения грузов на тарелку грузопоршневого манометра (их общая масса для МП-2500 составляет 125 кг), и почти неизбежно вызывают развитие у поверителей остеохондроза, пояснично-крестцового радикулита и варикозного расширения вен ног. В значительной степени последнее относится и к установкам высокого давления, поскольку они тоже не приспособлены для работы оператора сидя, и для наложения грузов на тарелку поршня задатчика их требуется выносить далеко перед собой.

Учитывая, что в состав грузопоршневых манометров высокого давления с измерительным мультипликатором должны входить и грузопоршневые манометры на верхний предел воспроизводимых давлений 6 МПа, п также возможность создания многопредельных измерительных мультипликаторов, вполне закономерно поставить вопрос о разработке базовой поверочной установки но расширенную зЛяпсть давлений. кпч область высоких, так и средних

избыточных давлений. Стремясь как можно более полно использовать эти установки, можно заметить, что поршневую пару низкого давления измерительного мультипликатора можно использовать саму по себе, с прямым нагружением поршня грузами, для воспроизведения давлений до 600 кПа. Более того, большой диаметр поршня позволяет выполнять аттестацию такой пары с высокой точностью без сличения с приборами более высоких разрядов - просто по линейным измерениям. Вряд ли требуется показывать привлекательность такого развития поверочных установок высокого давления с точки зрения унификации поршневых пар, грузов и т.д..

Первая попытка создать многопредельную поверочную установку была выполнена в 70-х годах. Созданная установка УПВД-МП с верхними пределами диапазонов воспроизводимых давлений 250, 600, 1000 и 1600 МПа позволяла поверять рабочие приборы с верхними пределами измерения 60, 100, 160, 250, 400, 600, 1000 и 1600 МПа.

Многопредельность установки обеспечивалась применением разработанным под руководством автора настоящей работы измерительным мультипликатором МДИ [29], представленным на рис.13. Конструкция МДИ была тщательно проработана с точки зрения получения хороших параметров несоосности цилиндров низкого и высокого давления, были заданы требуемые профили продольного сечения канала цилиндров высокого давления, разраоотана подробная технологическая инструкция.

Рис. 13

Благодаря этой проработке впервые поверочная аппаратура высокого давления имела гарантированные параметры надежности, межремонтный технический ресурс оценен по результатам испытаний соответствующим расчетному сроку службы, благодаря чему сщмалась проблема организации ремонта этих приборов. Расширение диапазона применимости установок УГОД-МП по сравнению с УВД позволило на порядок повысить их коэффициент использования.

Дальнейшее совершенствование измерительных мультипликаторов привело к созданию серии мультипликаторов с общим названием

— I Ч?^

"Мультибар".

Отличительной особенностью первого из МУЛЬТИБАРов (его конструкция представлена на рис.14) является то, что с целью достижения хорошей соосности цилиндр высокого давления вставлен непосредственно в цилиндр низкого давления (для этого последний удлинен) без промежуточных деталей, причем монтажный зазор выбирается цанговым зажимом. Цилиндр высокого давления объединен с корпусом, полость противодавления выполнена глухой, ее оптимальная глубина определялась рис ^

в ходе практической отработки конструкции с учетом выполненных расчетов [32]. Масса этого прибора составляла 8 кг, что позволило применить его для проведения международных сличений эталонов высокого давления стран СЭВ в рамках общей программы сличений по линии МКМВ в диапазоне давлений до 7С0 МПа. Транспортабельный эталон сравнения высокого давления за рубежом в настоящее время отсутствует. Несколько ранее этот же прибор, использовался для сличения (также по линии МБМВ) национальных шкал давления до 100 МПа. Внутри страны он был применен для аттестации на месте эксплуатации на Урале нетранспортабельного грузопоршневого манометра

Буденберга с верхним пределом воспроизводимых давлений 800 МПа Набор поршневых пар высокого давления позволяет реализовывать верхние пределы воспроизводимых давлений от 60 МПа до 1000 МПа, что позволяет совместно с задатчиком низкого давления типа МП-60 перекрывать диапазон от десятых долей МПа до I ГПа.

Циклическая прочность цилиндра высокого давления обеспечивается применением мартенсито- стареющей стали ЭП-836 до давления 1,6 ГПа, однако износостойкость этой стали в данных условиях работы поршневой пары оказывается недостаточной. Положение улучшается применением хромированных поршней высокого давления. Были опробованы варианты с азотированием канала, однако они не дали ожидавшихся результатов. В настоящее время выполняется работа по отработке химического никелирования цилиндра с последующим термическим упрочнением, ход работы позволяет надеяться на успех.

В ходе дальнейшего совершенствования измерительных мультипликаторов автором были разработаны модификации МУЛЬТИБАР-С и МУЛЬТИ-БАР-Л, представленные на рис Л5,16.

В этих приборах поршневая пара низкого давления выполнена как самостоятельный функциональный элемент. Это позволяет использовать ее с прямым нагружением поршня для воспроизведения давлений в диапазоне до 600 кПа. В результате такой прибор совместно с

Рис.15

'Рис.16

ствндартным грузопоршневым манометром типа МП-60 может использоваться как мера давления практически во всем диапазоне избыточных давлений. Оба прибора имеют встроенный червячный редуктор, что позволило применять стандартные асинхронные двигатели для вращения поршней и заменить сшиваемый кожаный приводной ремень стандартным резиновым кольцом. Вместо цангового зажима применена специальная струбцина с винтами под отвертку. Гильза, центрирующая поршневые пары, выполнена так, что все ее посадочные поверхности могут быть обработаны одной разверткой., Масса каждого из этих приборов составляет около 3 кг. Модификация Л разработана специально для автоматического задатчика давления АЗДГ-2500 . (руководитель разработки к.т.н. А.М.Кипнис) с верхними пределами воспроизводимых давлений 6, 60 и 250 МПа, горизонтальное рабочее положение этого прибора позволяет использовать один комплект грузов во всех рабочих диапазонах, поскольку вес поршней направлен перпендикулярно к их оси и мультипликация выполняется без соответствующей аддитивной добавки. Практика применения МУЛЬТИБАРов для сличений и в составе АЗДГ показала необходимость защищать поршневую пару низкого дывления от попадания в нее загрязнений из масла. Фильтр поставить в гидросистеме низкого давления между задатчиком и мультипликатором нельзя из-за возрастания гидравлического сопротивления, поэтому в макетный образец АЗДГ-2500 был включен отстойник перед входом масла в МУЛЬТИБАР, МУЛЬТИБАР-Л оснащен встроенным лабиринтным отстойником и магнитным фильтром.

3.5.3. Отработка узлов установок сличения.

Узлы установок сличения низкого и высокого давления отрабатывались с целью исключения источников погрешности сличений, для снижения трудоемкости сличений, облегчения обслуживания установки, уменьшения ее металлоемкости. К настоящему времени не осталось практически ни одного функционального узла установок, который не был заменен на новый. В данной работе приведет только

самые основные сведения по этим разработкам.

Эксперименты показали, что классическая регулировочная платформа с тремя резьбовыми опорами, применяемая для выставления вертикального положения оси поршневой пары обладает существенными недостатками. Сама регулировка затруднена, так как устранение наклона оси в одном направлении приводит к неизбежному появлению наклона в другом направлении. Натяг резьбовых пар в опорах изменяется при изменении нагрузки на поршень, что приводит к необходимости многократно подстраивать положение поршневой пары при сличениях. В установках Индрика применялись опоры ортогонального регулирования с четырьмя винтовыми регулировочными парами и одной центральной сферической шарнирной опорой. Взяв за основу эту платформу, заменив в ней толкающие винтовые пары на тянущие, мы разработали платформу, свободную от известных недостатков, ее преимущества перед стандартными (в том числе и Индрика) отмечаются в первые же минуты работы всеми имеющими опыт работы с грузопоршневыми манометрами.

Из всех известных отечественных установок сличения грузопоршневых манометров среднего давления крайне трудно убрать воздух. Например, даже многократные разборки и переворачивания часто не позволяют полностью убрать Еоздух из манометров МП-60. Это приводит к тому, что при сличениях часть столба жидкости между поршнями сличаемых манометров иногда замещается воздухом, что проявляется как изменение равновесных нагрузок. В этом случае выполнение сличений с требуемой точностью становится невозможным или крайне затруднительным, поскольку, причина нестабильности результатов уравновешиваний оператору не известна. Для исключения этого явления проектирование прессовых частей установок сличения во ВНИИФТРИ выполняется так, чтобы воздух из них удалялся автоматически. Это потребовало разработки новых винтовых прессов и средств гидравлической коммутации и распред: ;,- ния, однако такая

разработка быстро окупила себя уке на стадии аттестации поршневых пар государственного эталона высокого давления.

Уменьшить трудоемкость изготовления гидравлических узлов высокого давления, улучшить их эргономическче показатели удалось благодаря разработке новых методов уплотнения неподвижных и подвижных соединений для давлений - до сотен мегапаскалей и выше -до 1.6 ГПа. Так трудоемкость изготовления ручного вентиля для давлений до 300 МПа уменьшилась в 4 раза, при этом • впервые были резко снижены - до общетехнических эргономических норм - требуемые физические усилия для его закрывания, в три раза снизилась трудоемкость изготовления силового мультипликатора и вентиля предварительного давления.

Впервые на основе данных о сжимаемости рабочих жидкостей выполнен расчет оптимальных объемов силовых мультипликаторов с точки зрения получения максимального КПД установки, а также определена требуемая производительность насосов с учетом реальных режимов работы установок сличения и поверочных установок. Это позволяет в 1,5-2 раза снизить потребляемую от электросети мощность и в 3-4 раза установочную можность электромоторов.

Разработаны новые присоединительные устройства высокого давления, которые не требуют от оператора больших усилий. Ранее присоединить прибор или узел высокого давления к установке мог не кажд Л мужчина. Сейчас это может делать и женщина. Применение таких устройств позволяет экономить и время. Кроме того, эти устройства позволяют выполнять соединения многократно, что снимает необходимость периодически ремонтировать установку.

Разработаны гидравлические узлы среднего и высокого давления уменьшенной массы. Ранее силовые мультипликаторы имели массу до 70 кг, их монтаж и демонтаж в установке требовали усилий, в несколько рпз превышающих допустимые нормы техники безопасности. Новые мультипликаторы имеют массу не более 24 кг при тех же основных

параметрвх производительности. Этот эффект бил получен за счет более рационального выбора формы деталей, устранения основных концентраторов напряжения, реализации принципа равнспрочности, а также благодаря применению новых видов гидравлического уплотнения.

Оптимизация коэффициента автоподжатия уплотнительных колец штоков высокого давления в мультипликаторах и Еентилях высокого давления позволила полностью снять проблему периодического ремонта этих узлов для обеспечения их герметичности. Раньше в установке сличения высокого давления из состава эталона силовые мультипликаторы и вентиль высокого давления приходилось ремонтировать почти постоянно. После оптимизации коэффициента поджатия ремонт не требовался ни разу в последние 16 лет.

-503.6. Отработка методов и практических приемов аттестации.

3.6.1. Аттестация вторичных грузопоршневых манометров традиционно выполняется сличением с приборами бопее еысокого разряда. Сличения же являются мощным средством метрологического исследования эталонов. Правила сличений вторичных грузопоршневых манометров установлены стандартами СЭВ и СССР. Их внимательное изучение и практическая оценка выявили значительные резервы для повышения точности получаемых результатов и увеличения производительности поверочных работ.-

Выше было показано, что общепринятая установка на получение полного равенства давлений, воспроизводимых сличаемыми грузопорш-невыми манометрами, нереализуема из-за наличия переходных процессов. Для выработки рациональных приемов сличения был принят за основу тот же подход, что и при совершенствовании теоретических моделей,- стремление получить требуемую точность. В данном случае это означает отказ от полного уравновешивания и переход к уравновешиванию с заранее заданной предельной дискретностью изменения массы нагрузки. В этом случае не требуется ждать окончания переходного процесса (что бывает часто и невыполнимо из-за его большой продолжительности), достаточно удерживать некоторое время поршни на заданных высотах, а потом отпустить их и посмотреть направление их движения. Трудность выполнения такого уравновешивания состоит, прежде всего, в том, что удерживать на требуемых высотах поршни и отпускать их без толчка вручную трудно. Кроме того, трудно без толчка положить разновес и практически невозможно снять его без толчка ,с вращающейся тарелки. Однако этот метод привлекателен психологически, как показала практика его применения в одной из ведомственных метрологических служб, и вполне пригоден для для работы опытных операторов. Для облегчения работы с ним были разработаны специальные (для изменения нагрузок на вращаю-

щихся тарелках) механический рейтерный погрузчик и электромагнитный регулируемый эквивалент нагрузки. Механический погрузчик нагружает поршень реальными нагрузками известной массы, и в этом смысле он более надежен, чем электромагнитный эквивалент, однако наличие в нем поводкового устройства неизбежно приводит к появлению соответствующей погрешности.

Проверка правильности уравновешивания при реализации данного метода выполняется путем наложения на поднимающийся поршень разновеса с массой, соответствующей требуемой точности уравновешивания. Если уравновешивание выполнено правильно, это вызывает изменение направления движения поршней: ранее поднимавшийся поршень начинает опускаться. При наличии электронного статоскопа это становится заметным обычно через короткое время - за единицы секунд.

Дифференциальный режим индикации статоскопа, при котором его показания практически определяются только разностью перемещений поршней от исходного положения и не зависят от синхронного их перемещения, позволяет выполнять сличения при опускании обоих поршней за счет утечки через зазоры поршневых пар.

Второй метод уравновешивания решает проблему облегчения процесса уравновешивания совершенно другим путем. При анализе ситуации, складывающейся при прямом сличении грузопоршневых манометров методом гидростатического уравновешивания, обнаруживается явное противоречие: состояние равновесия определяется по движению поршней, наличие движения поршней влечет действие силы инерции нагрузок на поршнях - то есть приводит к длительным переходным процессам, а также мешает изменять нагрузки. Это противоречие устраняется, если под однин из поршней положить дистанционную шайбу и этот поршень чуть перегрузить при предварительном уравновешивании. Далее, увеличивать постепенно нагрузку нп втором поршне до момен-та отрыва первого поршня от шайбы. Такая

процедура гораздо проще первой, ее можно автоматизировать, задавая возрастающий ток на электромагнитный рейтер. Режим автоматического уравновешивания был предусмотрен в электронных статоскопах "Уровень". Это было первое автоматическое устройство для уравновешивания поршней грузопоршневых манометров при сличениях. Требуемое для полного уравновешивания значение дополнительной нагрузки в миллиграммах выводится в цифровом' виде. Время, требуемое для уравновешивания поршней для одной нагрузки с погрешностью порядка , 10составляет около двух минут.

При отработке аппаратуры и методов сличения была предпринята попытка определить предельный для грузопоршневых манометров порог чувствительности. Ранее он оценивался разными специалистами как несколько единиц шестого знака. Нами установлено, что у хороших приборов он существенно меньше, по крайней мере на порядок. .

В значительной степе!ш трудоемкость сличений грузопоршневых манометров определяется количеством уравновешиваний. Раньше было общепринято сличать магомотры высокого давления при давлениях, кратных 0,1 ГПа, а манометров средних и малых давлений - в десяти точках при нагрузках от 10 до 100 % от максимальной. На практике это правило выполняется не всегда, так как манометры МП-2500 ' первого разряда с верхним пределом воспроизводимых давлений 250 МПа поверяются по рабочему эталону с верхним пределом-' воспроизводимых давлений 60 МПа.

Существенно различаются применяемые методы математической обработки результатов уравновешиваний. Одни специалисты отношение эффективных площадей определяют как отношение сумм равновесных нагрузок; есть и такие, кто определяют его применением- метода нпименьших квадратов с полиномом регрессии, порядок которого равен количеству нагрузок - это крайние методы обработай.

По существу, для минимизации количества уравновешиваний при сличениях необходимо прежде всего исходить из* теоретических

моделей сличаемых приборов. Для поршневых пар с барическим изменением эффективной площади сличения должны выполняться так, чтобы не упустить отклонения этой зависимости от расчетной. Для этого манометры Ш-2500 должны обязательно поверяться во всем диапазоне воспроизводимых давлений, то есть до 250 МПа с максимальной дискретностью 50 МПа, манометры на более высокие давления МОП-ЮООО, М0П-15000 и им подобные, мультипликаторы МУЛЬТИБАР на эти пределы можно сличать при аттестации через каждые 200 МПа.

Если же барическая зависимость эффективной площади весьма мала, то в соответствии с имеющейся теоретической моделью достаточно только две нагрузки, они тките определят прямую регрессий, причем самым экономным образом. Для уверенности в отсутствии ошибок в поддержании уровня Поршней, в отсутствии воздуха в гидросистеме или других неучитываемых мешающих факторов целесообразно выполнить контрольное уравновешивание при третьей нагрузке. При каждой нагрузке сначала' достаточно выполнить три уравновешивания, чтобы определить среднее кваратическое отклонение результата. Если оно велико, можно определить, сколько дополнительных уравновешиваний нужно выполнить для получения желаемого значения. Таким образом, выполняется столько уравновешиваний При сличении, сколько требуется в данном конкретном случае, при использования данной аппаратуры и при работе данного оператора.

Рациональный выбор нагрузок для уравновешиваний определяется свойствами сличаемых приборов. Явно затруднительно работать с большими нагрузками из-за увеличения. длительности переходных процессов. Поэтому минимальную нагрузку м А желательно выбирать, исходя из требуемой для уравновешивания продолжительности свободного вращения поршня с грузами. Максимальная нагрузка м .должна быть в нопколтко (2-3) раза больше минимальней.

Отношение эффективных площадей определяется из соотношения:

^ = Чах " Чп1п >1 / Л1п Ь ■ <14 >

где черта сверху означает средее статистическое.

Из закона сложения дисперсий следует, что уже при трехкратном отношении максимальной нагрузки к минимальной и уравновешивании с постоянной относительной случайной погрешностью погрешность результата сличения практически равна погрешности среднего статистического уравновешивания при максимальной нагрузке, так что дальше увеличивать максимальную нагрузку нет смысла.

Комплекс выполненных работ по совершенствованию аппаратуры и методов сличения грузопоршневых манометров настолько снизили трудоемкость сличений, что отпала и необходимость й темостатнрова-нии поршневых пар. При этом легко получается погрешность сличения, которая существенно меньше неисключенной сисематической погрешности сличаемых пар. Это позволяет при аттестации вторичных приборов, если они обладают достаточной стабильностью и воспроизводимостью, считать равными на момент аттестации неисклю-ченные систематические погрешности аттестуемого прибора и прибора более высокого разряда, позволяет воспроизводить малые разности давления при повышенных статических давлениях.

3.6.2. Метрологическая экспертиза состояния грузопоршневых манометров на месте эксплуатации.

Директивное назначение межповерочных интервалов для грузопор-шневых манометров, не учитывающее режимы и условия их эксплуатации, можно отменить. Срок очередной периодической аттестации целесообразно назначать, исходя из реального состояния этих приборов. Для этого можно использовать метод метрологической экспрессной экспертизы, основанный на периодическом измерении скорости опускания поршня при одной нагрузке и на одной жидкости. Износ поршневой пары в пчригд между ' аттьстациями приводит к изменению эффективной ттп'кгпдп. в худшем случае оно пропорционально увеличению зазора

(при равномерном износе по всей длине только поршня или только цилиндра, что на практике не встречается); скорость же опускания поршня пропорциональна его кубу. Анализ фактического состояния направляемых в периодическую поверку образцовых грузопоршневых манометров показал, что применение экспрессной метрологической экспертизы их на местах применения позеолит в несколько раз сократить объем работ по их периодической поверке, соответственно во столько же раз можно сократить и парк приборов высших разрядов.

Применение такой экспертизы позволяет также предоставить возможность пользователям вносить поправки к эффективной площади на изменение скорости опускания поршня; при эксплуатации или переводить эти приборы в более грубый класс точности, что также позволит увеличить межповерочный интервал этих приборов. Последнее направление оправдано тем, что большинство рабочих приборов имеют класс точности 0,6' и более, а грузопоршневые манометры второго разряда имеют класс точности 0,05 - налицо явный запас, который можно реализовать.

3.6.3. Аттестация исходных приборов.

Независимая метрологическая аттестация - цилиндрической неде-формируемоЙ поршневой пары (понятно, что именно такие поршневые пары можно аттестовать наиболее точно) заключается, прежде всего, в измерении диаметра поршня И диаметра цилиндра (как это делают в ГЛГ1|, Франция) или диаметра поршня и зазора, как это делают почти все остальные лаборатории. Измерение диаметра цилиндра приводит к тому, что ' погрешность эффективной площади содержит сумму погрешностей диаметров поршня и цилиндра, при этом вторая почти на порядок больше первой, так как стандартные плоскопараллельше меры . длины для таких измерений прямо использовать нельзя. Зазор же измеряется гидродинамическим методом, так что ему присущи многий недостатки, в частности следующие:

имеется неопределенность теоретической модели жидкости

вблизи металлических поверхностей, в тонких слоях между поршнем и цилиндром; •

- трудно определить реальное опрокидывание поршня в цилиндре П|зи измерении скорости опускания поршня, трудно при атом учесть ацругления кромок канала цилиндра;

- технически трудно убрать мешающие факторы - температурный Д|рейф,. уштывая значительную зависимость плотности жидкости от температуры, длительные переходные процессы установления скорости рцускания поршня, наличие возможных утечек из гидросистемы.

Для устранения части этих недостатков был разработан вариант гидродинамического метода с горизонтальным расположением , поршя и с пропусканием через исследуемую поршневую пару газа,

Аттестуемая пара Контрольный грузоторшневой

манометр

Рис.17

Известен так называемый метод контролируемого зазора [7], реализуемый при работе специальных поршневых пар с регулируемым противодавлением. Увеличивая противодавление, добиваются уменьшения зазора до таких величин, которыми уже можно пренебрегать. Контроль выполняется по скорости опускания поршня и по порогу реагирования на изменение нагрузки. Этому методу свойственны как недостатки гидродинамического метода, так и увеличивающаяся неограниченно продолжительность переходных процессов. Для аттестации наиболее точных поршневых пар этот метод оказывается несостоятельным.

Разработанный новый деформационный метод определения зазора

поршневых пар лишен недостатков известных методов и очень прост .в реализации. Суть его в следующем.

Цилиндр с вложенным в него без жидкости поршнем облавливается снаружи давлением. При помощи специального приспособления, преобразующего поперечное перемещение в продольное, измеряется радиальная деформация цилиндра в непосредственной близости от торца поршня (рис.18).~

У/У У У У УУУУУп

Рис.18 Рис.19

При полном выбираний" зазора . сопротивление сжатию резко возрастает, что дает возможность определять величину зазора по излому характеристики Дгц.(р) (рис.19). На месте излома имеется небольшая гистерезисная петля, соотвэствующая высоте шероховатостей поверхностей поршня и цилиндра.

Экспериментальная проверка показала, что новые методы определения зазора дают сопоставимые результаты. Погрешность определения зазора ограничивается высотой шероховатостей и может быть гораздо меньше, чем погрешность измерения диаметра цилиндра. Это создает реальную возможность ' создавать и арестовывать поршневые пары с погрешностью эффективной площади в единицы миллионных долей. Примечательно, что. разработанные методы й аппаратура независимой метрологической аттестации поршневых пар вполне доступны территориальным органам государственной метрологической службы и органам ведоственных служб. Это в совокупности с работами по отработке сличений позволяет по-нор-.:;му построить и всю систему обеспечения единства и правильности ■ лерения избыточных

-58- '

гидростатических давлений с целью повышения ее кадровой и технической устойчивости, . повышения доступности. потребителям высокой точности измерения, а также снижения затрат на содержание этой системы.

Аттестация поршневых пар и грузопоршневых манометров целиком проверялась при подготовке к утверждению государственного эталона единицы давления на область высоких Давлений ГЭТ 43-73 [46], Высокая ценность этих работ определяется тем* что, хотя они проводились преимущественно в диапазоне высоких давлений (от 100 МПэ до 1,5 ГПа), они имеют большое значение и для эталонов на. меньшие давления, поскольку в них протекают, те же физические процессы. Правда, их относительное, влияние , на размер воспроизводимого давления существенно меньше, чем при высоких давлениях, но зато и требуемая точность воспроизведения размера единицы давления на два порядка больше. Таким образом, область .высоких давлений выступает как полигон для проверки точности теоретических моделей, применяемых в эталонных грузопоршневых приборах.

На рис. 20 [29] представлены результаты сличения с

грузопоршневым репером эталона, работавшего при давлении I ГПа. с •

двумя существенно различными поршневыми-парами высокого давленйя.

При расчетной разности 0,17 % (от воспроизводимого, давления)

поправки, учитывающей свойства рабочей жидкости, индивидуальные

геометрические параметры поршневой пары и деформацию поршневых пар

-3

расхождение с расчетом составило менее 3*10 % при среднем

о

квадратичоском отклонении результата не более 5»10 Ж и расчетной оценке погрешности определения поправок 5*10"^*.

5Р Ю"3

5

О -5

X X X У

• • 5 * 1 * • X X « X

Рис. 20

В табл. I представлены результаты аналогичных экспериментов при использовании ртутного репера (камеры фазовых равновесий ртути) при температуре 0° С, а на рис. 21 - при температуре около 35° С, 5 - среднее квадратическое отклонение результата. Таблица I

Давление фазового равновесия

ртути, МПа, при 0 С при ис-

пользовании поршневых пар I и 2

I 2

756,94 756,97

756,93 757,02

756,99 757,00

756,99 756,99

756,96 757,01

Среднее 756,97

756,97 МПа 756,98

¿»2,6-Ю-5 756,97

756,95

756,92

756,94

756,94

Среднее 756,97 МПа

8 =1,3-Ю-5

Рис. 21

Во всех случаях эксперименты подтвердили справедливость расчетных оценок точности аттестации приборов.

Понятно, что достоверные розультаты правильности аттестации не могут быть получены без проведения сличений аттестуемого прибора с другими эталонами. В ходе выполнения данной работы проведены прямые сличения созданного военного эталона с государственным первичным эталоном единицы давления СССР при давлениях до 600 кПа, результаты сличений не противоречат оценкам погрешности сличавшихся эталонов. Проведены заочные сличения шкал давления с зарубежными странами по давлению фазового равновесия ртути при (СС (результаты приведены в таблице 2 ), прямые сличения с эталоном МКМВ при давлениях до 100 МПа (результаты представлены на рис. 22 [27]), прямые международные сличения в диапазоне давлений до 600 МПа (результаты приведены на рис. 23 [28]).

Таблица 2.

Результаты измерения давления фазового равновесия ртути при 0° О

Авторы Год,ссылка Давление, авторская оценка погре-

шности, МПа

Джонсон, Ньгохолл 1953, лот 756,8 ± 5,2

Жоховский М.К. 1955, [47] 756,58 ± 0,4

Ньюхслл, Эббот, Дан 1962, [12] 756,54 ± 0,38

Дэдсон, Грейг 1965, [48] 756,92 ± 0,12

Ясунами 1967, [49] 757,10 ± 0,12

Бахвалова В.В., 1973, [29] 756,97 + 0,08

Боровков В.М.

Руф, Линкольн, Чен 1973, [50] 757,12 ± 0,16

Ямамото 1975, [51] 756,94 ± 0,2

?«5олин'-]р, Бин, Хаук, г> ... . 1980. [52] 756,84 + 0,16

ДЛ'

Франция Италия

ФРГ ОНА

Великобритания

авторская оценка погрешности

ЧССР Япония ГДР Швеция КНР СССР

-5-Ю"7-

(X'-барический коэффициент эффективной площади) Рис.22

ГПа

Рис.23

3.7. Направления совершенствования системы обеспечения единства и правильности измерения избыточных гидростатических давлений в стране.

Существующая система обеспечения единства и-';чрения в области

избыточных давлений не учитывает реального распределения РСИ по точности. Выполненные оценки показывают, что более чем в 90 % случаев допустимая погрешность измерения избыточного давления рабочими приборами составляет I Ж и более. Для аттестации и периодической поверки таких приборов метрологическая надстройка из государственного первичного эталона и шести ступеней вторичных эталонов и образцовых приборов являетсл избыточной. Это справедлива тем более, что грузопоршневые манометры, по которым преимущественно и поверяются рабочие приборы, в данном случае могут быть проверены по метрологическим параметрам на месте эксплуатации без сличения с приборами более высокого разряда с минимальными материальными и трудовыми затратами. С другой стороны, действующая пирамидальная система не может обеспечить требуемую в отдельных случаях (например, при разработке тонких перспективных технологий) высокую точность аттестации рабочих приборов, приближающуюся к точности государственных эталонов единицы давления, а иногда и превышающую ее. Во-первых, этому мешают иерархические потери точности. Уже при передаче размера единицы давления от государственного первичного эталона наиболее точному образцовому прибору первого разряда происходит десятикратная потеря точности. По этой же причине при сохранении действующей системы теряет смысл выполнение работ по повышению точности эталона на тысячные доли процента, поскольку при передаче теряются сотые. Во-вторых, вадомстве!нноЙ службе, то есть тому свмому потребителю, ради которого и существует государственная метрологическая служба, не положено иметь эталон одного уровня точности с государственным или тем более превосходящий по точности последний. Сами государственные эталоны единицы давления являются малоустойчивым образованием. Они не имеют ни кадрового, ни технического резервирования. Отсутствие научно-технического соперничества реально приводит к отставанию нашей эталонной базы от мирового уровня.

• пзраооташшн вариант системы обеспечения единства и ггцавильности измерения избыточных гидростатических давлений предполагает разделение РСИ на две группы: приборы обычной точности класса точности 0,6 и более и повышенной точности, ешють до тысячных долей: процента, соответственно разделить и средства их поверки. Лля поверю! приборов обычной точности ГОТО "ВНИМФТРИ" мо-'•'ет изготавливать грузопоршнеше нанометра, не требующие периодической поверки в течение срока службы 15-25 лет; для приборов, находящихся в эксплуатации, межповэрочный интервал можно увеличить среднем в 3-5 _маз за счет применения экспрессной диагностики метрологического состояния на местах применения. Соответственно в несколько раз можно сократить парк образцовых приборов более ьысоких разрядов и расходы на его содержание. Освободившиеся средства можно использовать на улучшение условий труда поверителей 'i на создание новых высокоточных средств измерения.

Газработанные методы и аппаратура позволяют уже сегодня создавать для заказчиков меры давления, которые можно с небольшими затратами арестовывать на местах применения • с погрешностями, соотвествующими лучшим мировым образцам. Это не только позволит повысить доступную потребителям точность измерения давления на 1-1,5 порядка. Региональные и ведомственные эталоны целесообразно использовать как единый групповой эталон единицы давления. Созданные возимые эталоны позволят проводить круговые сличения этих приборов по мере необходимости. При этом точность будет не снижаться, как сейчас при сличениях государственного и вторичных эталонов, а повышаться, возрастет метрологическая достоверность эталона, будет повышена устойчивость эталонной базы за счет кадрового и технического резервирования.

• Объективной 'реальностью стало все более широкое распространение различных электрических преобразователей давления. Поверочное же оборудование по-прежнему ориентировано на прямо

показываюцие приборы с механическими преобразователями давления я поворот стрелки, то есть на поверку на фиксированных давлениях о обязательной выдержкой на каждой точке. Безынерционные приборы нужно поверять в динамическом режиме. Разработанные грузопоршневые манометры можно использовать как встроенные меры давления в поверочных динамических установках. Это позволит использовать в качестве образцовых приборы того же типа, что и поверяемые -периодическое сличение их с мерой давления снимет проблему обеспечения их долговременной стабильности. Применение динамического режима поверки электрических преобразователей давления позволит существенно снизить стоимость поверки и повысить производительность поверочных работ.

Созданные аппаратура и методы позволяют с требуемой точностью выполнять аттестацию диЗманометров в рабочем режиме, при повыиек-ных статических давлениях, так что имеется возможность эталонную п образцовую аппаратуру делать не только унифицированной по диапазонам воспроизводимых давлений и для разных рабочих сред, но к многофункциональной. Сейчас имеется, реальная возможность создать оптимальную систему целиком, как единое целое, впервые после многих десятилетий разработок отдельных приборов для конкретных диапазонов давления и режимов использования.

В графическом виде разработанный вариант системы обеспечения единства и правильности измерения избыточных гидростатических давлений представлен на рис.19.

Рис.19

З.С. Основные результаты выполненной работ..

3.8.1. Разработаны уточненные теоретические модели груэопорш-невых мер давления, которые, благодаря полной постановке задачи, учитывают широкий класс реальных условий работы этих приборов, с оценками погрешностей влияющих факторов и принятых упрощений, доказанными экспериментально.

3.8.2. Создана база для рационального конструирования и технологические основы обеспечения высоких параметров точности, надежности и экономичности грузопоршневых мер давления, решена проблема устойчивой безремонтной эксплуатации .груэопоршневых мер высокого давления в течение планируемого срока службы 20 лет. о

3.8.3. Создана научно-методическая и материальная база существенного (почти на порядок) повышения точности аттестации груэопоршневых эталонов единицы давления, передачи размера единицы вторичным приборам с одновременным уменьшением на порядок трудоемкости этих оперший.

3.8.4. Создан новый класс отечественных груэопоршневых мер давления, в том числе меры, способные работать на любой неагрессивной жидкости и на газе, а также не имеющее мировых аналогов прецизионные многопредельные переносные меры высокого давления, позволяющие сличать без потери точности национальные эталоны единицы давления и выполнять периодическую аттестацию вторичных мер давления на местах применения во всем диапазоне избыточных давлений от единиц килопаскапей до 1 ГПа и более.

3.8.5. Разработано направление развития системы обеспечения единства и правильности измерения избыточных давлений, обеспечивающее потребителям получение требуемой точности измерений с минимальными затратами.

3.8.6. Справеделивость полученных результатов подтверждена сличениями созданной аппаратуры с государственным первичным эталоном единицы давления и международными сличениями, при этом аппара-

-6918. Molinar GP. Preliminary document concerning the future

intercompariscn of pressure measurements in a liquid medium to

700 MPa. May 1986, Torino (Italy).

19. begras J.C., lewis S.L., Molinar G.P. International Comparison in the Pressure Range 20 - 100 MPa. Draft (9/1/87).

20. Legras J.C., Keprt A., Lewisch R., Molinar G.F., Rydstrom L., Ulrich J.G. - Rapport BIMP-86/1.

21. Legras J.G., Borovkov Y.M., Kurase K., Mobiu3 D., Molinar G.P., S.Yi-Tang. Rapport BIMP-86/3.

22. Technical manual of the BIMP transfer standard (range 100 MPa). June 1981.

23. Dadson R.S., Lewis S.L., Peggs G.N. - The pressure Balance: theory and practice. London, HMSO, 1982.

24. Bauer H., Gieleßen I., Jeger J. - PTB Mitteilungen, 1977, 87,

' 3.5.

25. Welch B.E., Edsinger R.E., Bean V.E. and Ehrlich C.D. High Pressure Metrology. Monographie 89/1 Bureau International des Poids et Mesures, 1989, p. 81-94,

26. Tilford C.R., Hyland R.W. and Sheng -Yi-tang, High Pressure Metrology. Monographie 89/1 Bureau International des Poids et Mesures, 1939, p. 105-113.

27. Molinar G.P., Legras J.C., Bean V-, Borovkov V.M., Jager J., Kerpt A., Lewis S.L., Lewisch R., Möbius К., Rydstrom L., Ulrich J.G., Yamamoto S., S.Yi-Tang. - High Pressure Soienoe and Teohnjljgy: Pros. XIth AIRAPT Int. Conf. vol.4,1989,'p.34.

28. Borovkov V.M., Tarassov V.E., Atanov Yu.A., Monografis 89/1 Burea International des Poinds -et Mesures. Sevres. 1989. p.168-172.

29. Исследования в области высоких давлений. Под ред. Е.В.Золотых. М., Издательство стандартов, 1987.

30. Molinar G.P. Report on the activities, of the CCM-"High Pressure" Working Group. Period May 1988-May 1991. Torino, 1992.

-7031. Малый В.И., Казанцева Т.И. Труды метрологических институтов

СССР/ВНШФТРИ. Исследования в области механических свойств

веществ. 1979, 41(71),с.77-82.

32. Боровков В.М. Казанцева Т.И., В.А.Гудзев, Курносов Н.И. Измерительная техника,1982, I,с.43-45.

33. Государственный специальный эталон единицы давления - паскаля -« на диапазон от 2500*105 до 15000*1{£па. Доклад

Государственному комитету стандартов Совета Министров СССР. В1ЖФТРИ. 1973.

34. Бахвалова В.В., Боровков В.М. Метрология, 1974, 2, с.57-61.

35. Бахвалова В.В., Боровков В.М. Измерительная техника, 1977, 3, с.67-70.

36. Боровков В.М. Труды НПО "ВНИИФГРИ". Исследования в области общей и квантовой метрологии. М., 1991, сЛII.

37. Хансувыров К.И. Измерительная техника. 1962, II, с.23.

38. Брыкалин В.Г., Хансуваров К.И. Чсследования в области измерений давления. Труды метрологических институтов СССР, 1977, вып.213(273),с.27.

39. Брыкалин В.Г., Исаев Б.И., Хансуваров К.И. Труды метрологических институтов СССР, 1977, вып.213(273),с.39.

4П. Becker. Forsoh. Arb. Ingeniour, 1907,48, 1.

41." Бриджмен П.В. Физика высоких давлений. ОНТИ, 1935.

42. Боровков В.М. Измерительная техника, 1987, 4, с.34-36.

43. Боровков В.М. Метрология, 1986, 6, с.42-54.

44. Граменицкий В.Н., Хансуваров К.И. Труды институтов Комитета, 1962,66(126) с.74.

45. Боровков В.М. Измерительная техника, 1987. 10, с.29-30.

46. ГСИ. ГОСТ 8.094-73. Государственный специальный эталон и общесоюзная .поверочная схема для средств измерения давления с верхними пределам"! от 10000*10^ Па до 40000*ICß Па.

47. Жоховский М.К. Измерительная техника, 1955, N 5.

4VS. ■i1?i<lson-.R.S., Greif; R.G. - Brit. J. Appl. Phys., 1965, vol. 16,

р.1711.

■49. Yasunami К. - Pros. Japan, Aoad., 1967, vol. 43, p. 310.

50. Rof A.L., Lincoln R.C., Chen J.O. - Appl. Phys. Lett., 1973, vol. 22, p. 310.

51. Yamamoto S. - Pros, of the 4-tb AIRAPT oonf.- Phya. Chem. Soo,, 1975, Japan., Kyoto, p. 180.

52. Mollnar G.P., Bean V., Houok J., Welch B. - lietrologia, 1980* vol. 16, p. 21.

Содержание диссертации опубликовано в работах автора:

1. Боровков В.М. О влиянии механических и тешюфизических . . сеойств рабочей жидкости на показания грузопоршневого манометра М0П-15000. РЖ "Метрология и измерительная техника", 1973, 12, реф. 12.32.908.

2. Бахвалога В.В..Золотых Е.В., Боровков В.М. Государственны® специальный эталон единицы давления на диапазон 0,25-1,5 ГПа. Измерительная техника, 1973, II, с. 3-4.

3: Золотых Е.В., Бахвалова В.В., Боровков В.М. Грузопоршневой манометр высокого давления эталонного класса. Тезисы докладов I Всесоюзного совещания по физике и технике высокого давления. Донецк. 1973, с. 77.

4. Бахвалова В.В., Боровков В.М. Экспериментальное исследование государственного специального эталона единицы давления на диапазон 0,25-1,5 ГПа. Кетрология» 1974, 2, с.57-61.

5. Боровков В.М. Расчет вертикальной силы,действующей на поршень поршневого манометра высокого давления. Труды ВНИИФТРИ. Исследования в области высоких- давлений. М. 1974, 11(41), с.9-12.

6. Бахвалова В.В., Боровков В.М., Еремеев А.Е. Сопоставление показаний поршневых манометров с помощью процесса плавления ртути. Труды ВНШФТРИ. Исследования в области высоких давлений.

М. 1974, 11(41) С.24-25 .

7. Бахвалова В.В., Боровков В.М. Исследование возможности замены рабочих жидкостей в грузопоршневых манометрах типа МП нейтральными жидкостями ПЭФ. Измерительная техника, 1977, 3, с. 67-70.

8. Бахвалова В.В., Боровков В.М. Государственный специальный эталон единицы давления на диапазон 250-1500 МПа. Сб "Физические исследования при высоких давлениях" Ит-т физики АН ЭССР. Таллинн, 1977, с.84-87.

9. Бахвалова В.В., Боровков_ В.М. Методика поверки манометров образцовых ■ грузопоршневых с измерительным мультипликатором классов точности 0,1 и 0,2. МИ 129-77. М. Изд-во стандартов. 1977.

10. Боровков В.М., Гудзев В.А. Измерительный мультипликатор давления грузопоршневого манометра. Авторское свидетельство 7I270I. Б.И. 1980,4, МКИ G0I1 7/16.

11. Боровков В.М., Гудзев В.А. Оценка влияния несоосности поршневых систем на метрологические параметры измерительного мультипликатора давления. Измерительная техника, 1980, 3, с. 36-40.

12. Боровков В.М. Казанцева Т.И., В.А.Гудзев, Курносов Н.И. Учет реальных особенностей деахрмации поршневых пар грузопоршневых манометров. Измерительная техника,1982, I,с.43-45.

13. Bakhvalova Y.V., Borovkov V.V. National primary high-pressure standard. V-ICHP; 4 Special Equipment and Some Applications, Paris, p.701-702.

14. Боровков B.M., Золотых E.B. Метрологическое обеспечеш!е измерений в области высоких гидростатических давлений до 4 ГПалп-symet'82. 6 raedzinarodne Symposium metrologie. Bratislava 198-?. p.161-176.

15. Боровков B.M., Гудзев В.А., Тарасов • В.Е. Гидроприжкм для соединения узлеч. высокого давления. ПТЭ, 19ЯЗ, 2, с.215.

IF. Ророьк.ов В.М. Лереходнне процесса в Грггшортнррых мянсметрвх.

Метрология, 1986, 6, с.42-54.

17. Legras J.С., Borovkov V.M.....International Comparison in tha

pressure range 20-100 MPa (third phase). Rapport BIMP. 1986/3.

18. Molinar G.P., Legras J.C., Bean V., Borovkov V.M., Jager J., Kerpt A., Lewis S.L., Lewisch R., iiobius K., Rydstrom L., Ulrich J.G., Yamamoto S., S.Yi-Tang. - Draft 9/1/87 for Xlth AIRAPT Int. Conf.

19. Боровков B.M. Грузопоршневые манометры высокого давления. Глава I монографии "Исследования в области высоких давлений". Под ред. Золотых Е.В. М.,1987, с.5-77.

20. Боровков В.М. Влияние распределения давления в поршневой паре высокого давления на ее параметры. Измерительная техника, 1987, 4, с.34-36.

?1. Боровков В.М. Сличение поршневых пар грузопоршневнх манометров с: использованием дифференциальных трансформаторных датчиков положения поршней. Измерительная техника, 1987. 10, с.29-30.

-'2'. Molinar G., Legras J. С.,.. .Borovkov V.M.,... International comparison of pressure measurements in liquid medium from 20 to 100'MPa. Pros. Xl-th AIRAPT-oonf. 1989, 4,p.34-37.

23. Боровков B.M., Бондарева В.Ф., Тарасов В.В.. Особенности .линейных измерений поршней грузопоршневых манометров. Измерительная техника, 1988, 5, с.35-36.

24. Borovkov V.M., Tarassov Y.E., Atanov Yu.A..VNIIFTRI High-Pressure Standards. Monografie 89/.1 Burea International des Poinds et Mesures. Sevres. 1989. p.132-140.

25. Borovkov V.M., Tarassov V.E., Atanov Yu.A., ...The 700 MPa Intercomparisons of the National High Pressure Standards of the USSR, GDR and Hungary. Monografie 89/1 Burea International des Poinds et Mesures. Sevres. 1989. p.168-172.

26. Боровков В.М., Кузнецов Д.И., Тарасов В.Е. Идейная и материальная основы совершенствования метрологического обеспе-,,рния области избыточных гидростатических давлений. "Метрологи-

чоское обеспечение и стандартизация". Тззисн докладов VIII Всеакадекшческой школы по проблемам метрологического обеспече-обеспечения и стандартизации. J.990, с. II6-I2I.

27. Боровков В.Ы. Труды НПО "ВНИЖГРИ". Исследования в области оОцей и квантовой метрологии. 1991, c.III-116.

28. Боровков В.М. Современное состояние и направление развития грувопоршнввой мансметрки во БНИЙЪТРИ. Измерительная техника, 19Э1, 12, с. 45-47.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общая характеристика работы 3

1 1 Актуальность проблемы 3

1.2. Цель работы 5 . Г,. Состояние вопроса и основные направления исследований б

; 4. Научная новизна 9

. 5. Внедрение результатов работы 10

¡.б. Апробация работы 12

Г. Положения, выносящиеся на защиту 13

.-> Содержание работы 16

3.1. (Лзлель деформируемой поршневой пары 16 '• Особенности теоретических моделей отдельных

;;оршневых пар 24

3. Модель измерительного мультипликатора 29

'л 4. Переходные процессы в грузопоршневых манометрах 30

3.5. Экспериментальное исследование грузопоршневых манометров, отработка конструкции и технологии 33

3.6. Отработка методов и практических приемов аттестации 50

3.7. Направления совершенствования системы обеспечения единствам правильности измерения избыточных гидростатических давлений в стране 61

3.8. Основные результаты выполненной работы бб Личное участие автора в работах, включенных в диссертацию б? О соотношении докторской и кандидатской диссертаций 67 Литература б'8 Публикации автора по т^ме диссертаций 71