СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОЙ ГРАДУИРОВКИ ВАКУУММЕТРОВ Российский патент 2002 года по МПК G01L27/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения метрологических характеристик рабочих вакуумметров, а также измерителей парциальных давлений.

Известен способ динамической градуировки вакуумметров (манометрических преобразователей) низкого давления, основанный на принципах понижения (редукции) давления посредством диафрагм, при молекулярном режиме течения, установленных в цепи из трех последовательно соединенных камер, (см. В.В. Кузьмин // Измерительная техника, 1967, 1, с. 28-33).

Этот способ имеет ограниченную область применения, поскольку использование абсолютных образцовых вакуумметров на стороне исходного относительно высокого давления в большинстве своем лимитируется их нижним порогом измерения, использование же иных измерительных средств (образцовый ионизационный вакуумметр) - неприемлемо.

Среди аналогов наиболее близким к предлагаемому является способ градуировки вакуумметров путем расчетного повышения давления в градуировочной камере известного объема, при непрерывной подаче газа через диафрагму известной проводимости из камеры с более высоким постоянным давлением. По окончании повышения давления измеряют установившееся высокое давление в градуировочной камере, затем, откачивая ее через другую диафрагму известной проводимости, понижают в ней давление. При этом измеряют промежутки времени, соответствующие двум одинаковым показаниям градуируемого манометра (вакуумметра) при повышении и при понижении давления, и по известным зависимостям определяют давления в градуировочной камере, соответствующие показаниям манометра (вакуумметра) (см. , например, авторское свидетельство СССР 564553, М.кл. G 01 L 27/00, 1977).

Реализация известного способа требует поддержания постоянного повышенного давления газа перед диафрагмой, что может вызвать в свою очередь появление погрешности, обусловленной нестабильностью проводимости натекателя и изменением давления на входе в него.

Таким образом, задача расширения диапазона градуировки в сторону низких давлений и повышение точности при осуществлении известных способов разрешена неокончательно.

В предложенном способе расширение диапазона градуировки в сторону высокого и сверхвысокого вакуума и повышение точности градуировки вакуумметров, достигается тем, что измерения со стороны повышенного давления переносят в объем измерительной камеры, расположенной параллельно градуировочной камере и ограниченной с двух сторон диафрагмами малой проводимости, как и в случае с последней, примыкающей со стороны диафрагм к камерам соответственно относительно самого высокого и самого низкого давлений.

Для этого в способе динамической градуировки вакуумметров, основанном на сопоставлении показаний, снимаемых с градуируемого и образцового вакуумметров, при расчетном повышении давления в измерительной и градуировочной камерах, расположенных параллельно, посредством подачи дозированного количества пробного газа через диафрагмы известной проводимости, примыкающих к камере сравнительно высокого давления, и одновременной откачке измерительной и градуировочной камер через диафрагмы большей проводимости, производят совместную регистрацию показаний градуируемого и образцового вакуумметров, при этом в процессе повышения давления в камерах вакуумметров, а также его последующего понижения (вследствие естественной убыли порции) измеряют промежутки времени, соответствующие двум любым одинаковым показаниям, относящимся к каждому из вакуумметров, и по расчетным зависимостям определяют значения давлений в градуировочной камере с которыми сопоставляют показания градуируемого вакуумметра.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена схема вакуумной системы для реализации способа.

Вакуумная система состоит из порционной камеры 1, натекателя 2, клапана 3, расширительной камеры 4, диафрагмы 5, клапана 6, диафрагмы 7, образцового вакуумметра 8, измерительной камеры 9, клапана 10, клапана 11, градуировочной камеры 12, градуируемого вакуумметра 13, диафрагмы 14, диафрагмы 15, камеры-коллектора 16, высоковакуумного насоса 17.

Вакуумная система построена на двух параллельно расположенных магистральных линиях - измерительной и градуировочной. Измерительная линия включает измерительную камеру 9 объема V_o, с присоединенным образцовым вакуумметром 8, заключенную между двумя диаметрально расположенными диафрагмами 5, 14 малой проводимости. Градуировочная линия - принципиальный аналог измерительной линии - включает градуировочную камеру 12 объема V₁, с размещенным градуируемым вакуумметром 13, ограниченную с двух сторон диафрагмами 7 и 15. Диафрагмы 5 и 7 примыкают к камере 4 сравнительно высокого давления, которая соединена через клапан 3 с порционной камерой 1 с установленным на ней натекателем 2. Диафрагмы 14 и 15 примыкают к камере 16 самого низкого давления, которая соединена с высоковакуумным насосом 17. Клапаны 6, 10, 11, установленные соответственно на камерах 4, 9, 12, при открытии сообщают между собой объемы камер, переводя режим откачки через диафрагмы на режим централизованной откачки с выходом на высоковакуумный насос 17 через камеру 16.

Предполагается, что значения величин проводимостей диафрагм 5 - U₁, 7 - U₂, 14 - U₃, 15 - U₄ являются постоянными и независимыми от давления, причем U₁ U₂, U₃U₄,U₁,U₂<<U₃,U₄.

Давления в камерах 1 и 4 - P₁, в камере 9 - Р'₂ и 12 - Р''₂, в камере 16 - Р₃ соответственно удовлетворяют соотношению P₁>>Р'₂, Р''₂>>P₃.

Предлагаемый способ (при равенстве температур камер) состоит из следующей последовательности операций.

После предварительной откачки системы последовательно закрывают клапаны 3, 6. Открывают натекатель 2 на наименьшую проводимость, устанавливая, таким образом, наименьший поток пробного газа в порционную камеру 1 объема V' с заданной экспозицией, учитывая при этом экспансию порции газа на объем расширительной камеры 4-V''.

По истечении заданного промежутка времени накопления в порционной камере 1 натекатель 2 закрывают. Начиная с некоторого момента времени t_o', удовлетворяющему необходимому условию установления равновесного давления в расширительной камере 4, с момента закрытия клапана 6, а именно: t_o'≥3V''/(U₁+U₂), с одновременным закрытием клапанов 10,11 образцовым вакуумметром 8 производят регистрацию остаточного давления Р_о, являющегося общим для объемов градуировочной и измерительной линий. В режиме установления динамического равновесия в измерительной камере 9 и градуировочной камере 12 ввиду неизбежной конкуренции между сорбционно-десорбционными явлениями и откачкой через диафрагмы U₃, U₄ открывают клапан 3, фиксируя момент времени t_o'', и в процессе повышения давления в обозначенных выше камерах, сменяемого последующим его понижением регистрируют показания образцового и градуируемого вакуумметров во времени.

Давления газа P_i' в камере 12 и P_ai' в камере 9, отнесенные к произвольным моментам времени соответственно t_i', t_i'' и t_ai',t_ai'' имеют сходные выражения следующего вида


где q₁ - суммарный поток сорбции и десорбции в камере 12 с учетом части потока газоотделения и натекания, поступающего из расширительной камеры 4


где q₀ - суммарный поток сорбции н десорбции в камере 9 с учетом части потока газоотделения и натекания, поступающего из расширительной камеры 4.

Совместным решением уравнений (1) и (1'), описывающих динамику изменения давления в объеме градуировочной линии в моменты времени, соответствующие двум одинаковым показаниям рабочего вакуумметра 13 в процессе напуска, т.е. при условии: P_i'= P_i''= P_i - устанавливают функциональную зависимость, где влияние суммарного потока сорбции и десорбции сведено к нулю:

Аналогичную зависимость, при условии: P_ai'=P_ai''=P_ai - устанавливают в отношении объема измерительной камеры 9 с присоединенным образцовым вакуумметром 8 при совместном решении уравнений (2) и (2').

Решая систему из уравнений (3) и (4), получают зависимость для расчета давлений в градуировочной камере 12 (см. в конце описания уравнение (5)) .

Расчетные значения давлений сопоставляют с соответствующими показателями градуируемого вакуумметра 13. Полученное уравнение (5) свободно от погрешностей, связанных с побочными процессами, обусловленными газоотделением и натеканием в объемах градуировочной и измерительной камер с присоединенными вакуумметрами, а также в объеме расширительной камеры 4.

Наличие защитных мер - установка диафрагм по обе стороны измерительной камеры 9 - обеспечивает регламентированную рабочую область давлений образцового вакуумметра и значительно препятствует распространению и влиянию газовой среды, формирующейся в результате взаимодействия элементов электродной части (накального катода) измерителя с пробным газом в области измерительной камеры, на исходный качественный и количественный состав калибровочного газа, находящегося на стороне повышенного давления.

Кроме того, применяемая принципиальная вакуумная схема, с размещенными параллельно парами входных и выходных диафрагм обеспечивает исключение (пренебрежимую малость) обоюдного влияния электродных систем преобразователей вакуумметров друг на друга, что фактически означает недосягаемость проникновения прямого и/или обратного потоков "переработанного" газа из объема измерительной камеры в градуировочную камеру и наоборот.

При современном уровне развития микропроцессорной и вычислительной техники осуществление данного способа не может вызвать серьезных затруднений, при этом выбираемые постоянные откачки градуировочной и измерительной камер, при целесообразно подобранных значениях проводимостей диафрагм, рекомендуется поддерживать в разумных пределах (0,1<τ<10 с).

Таким образом, представленный способ динамической градуировки вакуумметров обеспечивает:
1) реализацию возможности использования неабсолютного образцового вакуумметра с диапазоном измерения, распространяющимся на область высокого и сверхвысокого вакуума, способствуя тем самым воспроизведению шкалы градуировочных давлений в широких пределах;
2) отсутствие погрешностей, связанных с наличием процессов газоотделения, натекания в объемах измерительной и градуировочной линий, что повышает общую точность градуировки вакуумметра;
3) исключение взаимовлияния электродных систем образцового и градуируемого вакуумметров и соответственно исключение дополнительной ошибки при градуировке вакуумметра;
4) устранение необходимости измерения исходного относительно высокого давления и, как следствие, устранение дополнительного источника погрешностей;
5) снятие жестких требований в отношении постоянства величины потока пробного газа ввиду замены его на дозированную порцию, что также ведет к повышению общей точности градуировки.

Способ динамической градуировки вакуумметров относится к контрольно-измерительной технике. Измерения производят в объеме измерительной камеры, расположенной параллельно градуировочной камере и ограниченной с двух сторон диафрагмами малой проводимости. При подаче дозированного количества пробного газа в объемы камер осуществляют совместную регистрацию показаний градуируемого и образцового вакуумметров и в процессе повышения давления в камерах, а также последующего его понижения (вследствие естественной убыли порции) измеряют промежутки времени, соответствующие двум любым одинаковым показаниям, относящимся к каждому из вакуумметров, и по известным зависимостям рассчитывают значения давлений, с которыми сопоставляют показания градуируемого вакуумметра. Технический результат - расширение диапазона градуировки вакуумметров в сторону высокого и сверхвысокого вакуума, повышение точности градуировки. 1 ил.

Способ динамической градуировки вакуумметров путем сопоставления показаний, снимаемых с градуируемого и образцового вакуумметров, отличающийся тем, что при расчетном повышении давления в измерительной и градуировочной камерах, расположенных параллельно, посредством подачи дозированного количества пробного газа через диафрагмы известной проводимости, примыкающих к камере сравнительно высокого давления, и одновременной откачке измерительной и градуировочной камер через диафрагмы большей проводимости, производят совместную регистрацию показаний градуируемого и образцового вакуумметров, при этом в процессе повышения давления в камерах вакуумметров, а также его последующего понижения (вследствие естественной убыли порции) измеряют промежутки времени, соответствующие двум любым одинаковым показаниям, относящимся к каждому из вакуумметров, и по расчетным зависимостям определяют значения давлений в градуировочной камере, с которыми сопоставляют показания градуируемого вакуумметра.