МАНОМЕТРЫ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ С ПОРШНЕВОЙ ПАРОЙ, ОБРАЗОВАННОЙ СТРУКТУРНО-СОПРЯЖЕННЫМИ МАГНЕТИКАМИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК G01L27/00 

Изобретение относится к области измерения давления, точнее к поверочно-калибрующим эталонным манометрическим устройствам, измеряющим и воспроизводящим малые значения абсолютных давлений с высокой точностью.

Измерение абсолютного давления применяют в метеорологии, геодезии и авиации (~10^-2…1·10⁵ Па). Абсолютное давление является одним из основных термодинамических параметров состояния системы (тела).

Средства измерения (СИ) абсолютных давлений используются при проведении термодинамических, аэродинамических, метеорологических и других исследований. Например, при определении констант состояния различных веществ; скоростей газовых потоков; концентрации газов в твердых веществах; при проведении эталонных температурных и линейных измерений и т.д., а также при изучении, анализе и прогнозе метеорологических условий, при определении высоты полета и т.д.

Абсолютное давление - давление, при измерении которого за начало отсчета принимают абсолютный нуль давления.

Примечание. Абсолютный нуль давления может существовать либо в замкнутом объеме, из которого удалены все газовые молекулы, либо при условиях полного прекращения движения молекул, то есть при температуре абсолютного нуля по Кельвину.

Отсюда следует, что степень приближения к точному значению абсолютного давления напрямую связана с техникой и методами (практикой) получения и поддержания вакуума.

Вакуумом обычно принято называть состояние газа, когда его давление ниже атмосферного, но более правильна следующая трактовка: вакуумметрическое давление - это разность атмосферного и абсолютного давлений. Причем атмосферное давление - это абсолютное давление околоземной атмосферы, а избыточное давление - разность абсолютных давлений, полного давления и давления окружающей среды.

Степень вакуума определяют, измеряя значение давления остаточных газов. Физической характеристикой вакуума является соотношение между длиной свободного пробега λ молекул газа и некоторым размером d, характерным для каждого конкретного процесса или прибора (расстояние между стенками вакуумной камеры; диаметром вакуумного трубопровода, расстояние между электродами электровакуумного прибора и т.д.)

В зависимости от значения отношения λ/d различают: низкий вакуум (λ/d<<1), средний вакуум (λ/d~1) и высокий вакуум (λ/d>>1).

Перечисленным трем степеням разрежения можно условно приписать интервалы давлений [1]:

низкий вакуум - от 100 кПа до 100 Па;

средний - от 100 Па до 0,1 Па;

высокий - от 0,1 Па до 10 мПа.

За последнее десятилетие достигнуты значительные успехи в получении сверхвысокого вакуума - 10^-8 мм рт.ст. (10 мкПа) и ниже 10^-13 мм рт.ст. Сверхвысокий вакуум не связан со значением отношения λ/d. Длина свободного пробега здесь оценивается десятками тысяч метров, так как концентрация молекул характеризуется очень низким значением, оно связано со временем τ. Время τ необходимо для образования мономолекулярного слоя газа на поверхности твердого тела в вакууме, оно обратно пропорционально давлению. При р≈10^-6 мм рт.ст. это время τ будет ~1 с.

Из изложенного следует, что присутствующие в заголовках поверочных схем, а также в названиях эталонов и манометров определительные выражения типа «… абсолютного давления» и декларируемое воспроизведение «абсолютной единицы давления» являются достаточно условными понятиями. Они зависят от принятых технических мер и возможностей получения и поддержания вакуума, которые обуславливают устойчивость «нулевого» уровня отсчета давления.

Как было отмечено, в настоящее время экспериментально-технически освоены принципы и методы получения вакуума вплоть до 10^-13 мм рт.ст. с возможностью проведения приборного контроля и измерения во всем этом диапазоне. Универсального метода измерений вакуума, охватывающего весь этот диапазон, не существует; используются различные физические закономерности, связанные (прямо или косвенно) с давлением газа. Существуют вакуумметры жидкостные, деформационные, компрессионные, радиометрические, вязкостные, тепловые, ионизирующие, магнитные электроразрядные и др.

Области газовых разрежений (≤10^-4…10^-7) мм рт.ст. - область изготовления большинства современных электровакуумных и газоразрядных приборов.

Область малых давлений (≤10^-6…10^-13) мм рт.ст. (со своими СИ и методами измерения) является областью высоких технологий и научных физико-химических исследований (масс-спектрометры, ускорители частиц, электронные микроскопы, вакуумные спектрографы; исследования плазмы, исследования синтеза ядра, имитация космоса, поверхностные явления на твердом теле и т.д.).

Естественно, что Государственные поверочные схемы предусматривают воспроизведение единицы давления и передачу ее размера для различных областей давления (абсолютного, избыточного, разности давлений).

Состав комплекса основных СИ, входящих в состав Государственных эталонов абсолютного давления, основные метрологические характеристики эталонов и порядок передачи размера единицы абсолютного давления от Государственных эталонов при помощи вторичных эталонов и рабочих эталонов рабочим СИ с указанием погрешностей и основных методов поверки приведены:

- для Государственного специального эталона ГЭТ 49-80 для средств измерений абсолютного давления в диапазоне (1·10^-3…1·10³) Па в ГОСТ 8.107-81;

- для Государственного специального эталона ГЭТ 101-76 для средств измерения абсолютного давления в диапазоне (270…13000) Па в ГОСТ 8.223-76.

Примечание. Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 28 февраля 2012 г. №118 сообщалось «Об утверждении Государственного первичного эталона единицы давления для области абсолютного давления в диапазоне (1·10^-1…7·10⁵) Па».

Ему был присвоен регистрационный номер ГЭТ 101-2011. Местом хранения является ФГУП «ВНИИ Метрологии им. Д.И. Менделеева» [2].

Таким образом, завершилось усовершенствование Государственного первичного специального эталона единицы давления для абсолютного давления в диапазоне (270…13000) Па (ГЭТ 101-76). Это, как разъясняется [2], было обусловлено необходимостью повышения эффективности метрологического обеспечения энергосберегающего комплекса, электронной, медицинской и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности Российской Федерации, прецизионных средств измерений абсолютного давления нового поколения и необходимостью подтверждения международной эквивалентности измерительных возможностей России в области абсолютного давления.

Калибровочные возможности ГЭТ 101-76, опубликованные на сайте МБМВ, составляют 6,7 Па [3], что явно недостаточно для метрологического обеспечения новых прецизионных СИ абсолютного давления, используемых в различных отраслях экономики РФ, заявленные погрешности которых составляют десятые и даже сотые доли паскаля.

Но и априорно выданная МБМВ калибровочная оценка эталона ГЭТ 101-76 не может быть достаточно достоверной, так как согласно [4] за 36 лет своего существования эталон ни разу не участвовал в международных сличениях.

Однако ожидаемая отмена действия ГОСТ 8.223-76, с учетом новых реалий, с заменой на новый национальный стандарт РФ «Государственная поверочная схема для средств измерений абсолютного давления в диапазоне (1·10^-1…1·10⁶) Па» пока не произошла. Так что передача единицы давления подчиненным по поверочной схеме эталонам и средствам измерений проводится согласно ГОСТ 8.223-76.

Усовершенствованный первичный эталон единицы давления ГЭТ 101-2011 для области абсолютного давления состоит из трех эталонных комплексов [5]:

- эталонного комплекса на основе лазерного интерференционного масляного манометра (ЛИММ) с диапазоном измерений (0,1…1000)Па;

- эталонного комплекса на основе лазерного интерференционного ртутного манометра (ЛИРМ) с диапазоном измерений 100 Па…130·10³ Па;

- эталонного комплекса на основе грузопоршневого манометра с газовой смазкой с диапазоном измерений (700…700·10³) Па.

То есть особо «революционных» изменений в области измерения абсолютного давления не произошло: изменения коснулись, в основном, жидкостных микроманометров (изменились приемы измерения положения уровней жидкостной среды в коленах «U»-образных манометров) и замены отечественной, в меру устарелой модели ГПМ (70-х годов) на зарубежный современный вариант RUSKA 2465 фирмы «RUSKA», США.

Автоматизированный грузопоршневой манометр абсолютного давления с газовой смазкой RUSKA 2465 представляет собой структуру, в которую входят измерительный прибор и автоматический генератор давления (контроллер), обеспечивающий автоматическое задание и поддержание требуемого значения давления после наложения вручную требуемой комбинации грузов на поршень измерительного прибора.

Уравнение измерения абсолютного давления грузопоршневым манометром имеет вид:

где

$$P_{a_i}$$ - измеряемое абсолютное давление;

m_i - масса подвижной части и грузов, наложенных на поршень;

g - местное значение ускорения свободного падения;

А - приведенная площадь измерительной поршневой системы;

α - температурный коэффициент линейного расширения материала измерительной поршневой системы;

t_i - измеренное значение температуры;

t_н=20,0°С - нормальная температура;

Р₀ - остаточное давление.

Таким образом, некий status quo сохраняется: диапазон СИ абсолютных давлений в области низкого и среднего вакуума находится под метрологическим контролем эталонных жидкостных манометров (ЛИММ и ЛИРМ) и дополнительно обеспечивается метрологическим контролем эталонного ГПМ абсолютного давления с расширенной верхней границей измерения (RUSKA 2465).

Диапазон давлений (≤1·10^-2…10⁵) Па наиболее освоен и востребован промышленно-производственной практикой и насыщен многочисленным и разнообразным парком рабочих СИ.

Именно этот диапазон абсолютных давлений ляжет в основу дальнейшего обсуждения и технических предложений, направленных на существенное улучшение его метрологического обеспечения.

В соответствии с ГОСТ 8.223-76 «ГСИ. Государственный специальный эталон и поверочная схема для средств измерений абсолютного давления в диапазоне (2,7·10²…4000·10²) Па» обеспечивает воспроизведение единицы давления в диапазоне значений абсолютного давления (2,7-10²…1300·10²) Па, которое осуществляется со средним квадратичным отклонением результата измерений S≤0,3 Па, при неисключенной систематической погрешности Θ≤2 Па.

Государственная поверочная схема предусматривает передачу единицы измерения давления в области абсолютных давлений (2,7·10²…4·10⁵) Па с помощью вторичных эталонов и образцовых средств измерений, погрешности которых приведены в таблице 1.

Для измерения абсолютного давления в диапазоне (0…4·10⁵) Па используются рабочие средства, пределы допускаемой абсолютной основной погрешности Δ которых приведены в таблице 2.

Поскольку Государственный эталон ГЭТ 101-76, до недавнего времени возглавлявший поверочную схему ГОСТ 8.223-76, по совокупности существенных метрологических характеристик и своему назначению наиболее близок к заявляемому решению, то он и принят за прототип.

Из технического описания и инструкции по эксплуатации X∂1.456.256 ТО на ГЭТ 101-76 [6] можно выяснить следующее: «Техническое описание распространяется на специальный эталон единицы давления для абсолютного давления, предназначенный для воспроизведения и хранения единицы давления для абсолютных давлений в диапазоне (0,27…130) кПа и передачи размера единицы при помощи вторичных эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений, применяемым в народном хозяйстве СССР, с целью обеспечения единства измерений в стране».

Примечание: За 36 прошедших лет (ГЭТ 101-76 утвержден в 1976 г.) произошли серьезные изменения в области измерительной техники, в том числе и в области измерения давления. Это позволяет говорить о морально устаревших подходах к проектированию эталона. Из технических характеристик эталона, приводимых далее, нетрудно усмотреть, что для их реализации были найдены далеко не лучшие инженерно-технические решения. Они породили конструктивные и технологические несовершенства изделия, которое, однако, главенствовало в своей области измерений в законодательном порядке вплоть до 2011 года.

Поскольку эталон ГЭТ 101-76 в своем роде являлся мерилом достигнутой высшей точности в области измерения и воспроизведения абсолютных давлений в диапазоне (0,27…130) кПа, то он, как было уже отмечено, принят за прототип.

Рабочими условиями известного эталона являются:

- скорость изменения измеряемого давления не более 5 мПа/с;

- температура окружающего воздуха (293±1) K;

- влажность окружающего воздуха (60±20)% при температуре 293 K;

- условия водоснабжения: холодная вода для охлаждения паромасляных насосов - расход 5 л/с; вода (из термостата) для поддержания постоянства температуры поршневых пар манометров МАД-5; сливной трубопровод для воды;

- колебание грунта не более: амплитуда - 2…10 мкм, частота - 2…5 Гц.

На фиг.1 представлена схема основного состава комплекса эталона ГЭТ 101-76, включающего в себя две стойки I и II манометров абсолютного давления МАД-5 поз.65. Стойка управления манометрами 66 (с кранами, сильфонными вентилями кранов натекателей), вакуумными насосами (для вакуумных камер ГПМ - НВР-5Д; для измерительных камер ГПМ - ВН-461) 67, 68; компрессорным устройством 69 для создания давления в измерительных камерах ГПМ; водяного термостата ТС-16 поз.70, используемого для поддержания постоянства температуры поршневых пар ГПМ; сосуда Дьюара 71, для холодных спаев медь-константановых термопар, контролирующих текущую температуру цилиндра поршневых пар и расположенных в водяных рубашках, окружающих цилиндры ГПМ; гальванометра ГПЗ 72, для измерения ЭДС термопар; измерителя плотности воздуха 73, для введения поправок на значение веса грузов.

Манометр МАД-5 поз.65 состоит из следующих основных узлов: грузопоршневого манометра 74; блока управления манометром 75; фотоэлектрического микроскопа ФЭМ-3к поз.76 и индикаторного блока показания равновесия ИФЭМ-3 поз.77; паромасляного насоса Н-05 поз.78; вакуумметра ионизационно-термопарного ВИТ-2 поз.79.

На фиг.2 представлена схематично основная структура ГПМ поз.74 манометра абсолютного давления МАД-5. За основу приведенной графики взята кинетическая схема манометра МАД-5, лишь частично дополненная узлами смазки поз.82 и схемой считывания равновесия весовой системы - ФЭМ-3к поз.76 фиг.1.

С более подробными описаниями комплекса ГЭТ 101-76 можно ознакомиться в источниках [1, 2, 3].

Вид грузопоршневого манометра 74 фиг.1 развернуто представлен на фиг.2.

В состав грузопоршневого манометра входят: поршневая пара (поршень 80, цилиндр 81), масляная смазка 82 между сопрягающимися поверхностями пары, грузоприемная тарелка 83, весовое устройство 84, десять грузов 85, каждый из которых уравновешивает давление, равное 13,3 кПа (100 мм рт.ст.); устройство принудительного вращения поршня 86; вакуумная камера 87, измерительная камера 88, счетчик грузов 89, устройство наложения грузов 90.

Все указанные узлы накрыты колпаком 91, крепящимся болтами к корпусу 92. Колпак 91 и корпус 92 образуют вакуумную камеру 87, герметизация которой осуществляется прокладкой 93 из вакуумной резины, смазанной вакуумной смазкой.

Снизу к плите корпуса 92 прикреплены электродвигатели: устройства вращения поршня 80 - э/двигатель УАД-72 поз.86; наложения грузов 85 - э/двигатель УАД-72 поз.90, с редукторами 94, 95 соответственно и с вакуумными вводами осей этих редукторов в вакуумную камеру 87. К плите корпуса 92 крепится также паромасляный насос ВН-05 поз.78 фиг.1, 4. На верхней части корпуса 91 установлен счетчик 89 для подсчета количества наложенных грузов 89. Сзади к корпусу крепится узел с масленкой 82, входящий в систему смазки. Корпус 92 болтами крепится к каркасу стола, имеющему четыре регулировочные ножки. Справа от корпуса к каркасу прикреплен блок управления манометром 75 (фиг.1), лицевая панель которого выведена на плоскость стола. Поршневая пара манометра, воспринимающая действие давления, состоит из простого неуплотненного поршня 80 и цилиндра 81. Цилиндр 81 имеет 5 канавок, предназначенных для размещения смазки от системы 82, для сопрягающихся поверхностей поршня 80 и цилиндра 81. В цилиндр 81 вставлен простой неуплотненный поршень 80, имеющий диаметр около 80 мм. Для уменьшения веса поршень 80 сделан полым с заглушкой в нижней части. На верхнем торце поршня 80 закреплена грузоприемная тарелка 83.

Эталон ГЭТ 101-76 работает следующим образом (см. фиг.2).

При подаче атмосферного давления в вакуумную 87 и измерительную 88 камеры проверяют равновесие весового устройства 84 по фотоэлектрическому микроскопу 76 при вращении поршня 80. Для этого снимают все грузы 85 с грузоприемной тарелки 83 посредством устройства для наложения грузов 90. Затем включают устройство 86, 94 принудительного вращения поршня и по индикатору ИФЭМ-3 поз.77 фотоэлектрического микроскопа 76 проверяют предварительно равновесие весового устройства 84, при этом стрелка индикатора должна быть вблизи нулевого деления.

Затем двигатель 86 привода поршня выводит из зацепления элементы поводкового механизма 94. При свободном вращении поршня (по инерции) определяют окончательно положение равновесия весового устройства 84.

После проверки предварительного уравновешивания откачивают воздух из вакуумной камеры 87 вакуумным насосом НВР-5Д, фиг.1 поз.67, затем включают печку паромасляного насоса ВН-05, фиг.1, 4 поз.78, и в его рубашку охлаждения подают воду от водопровода. При достижении остаточного давления в вакуумной камере 87 не более 0,1 Па, которое измеряют термопарно-ионизационным вакуумметром ВИТ-2, поз.79 фиг.1, приступают к созданию требуемого абсолютного давления.

Для создания заданного дискретного значения абсолютного давления сначала накладывают грузы 85 посредством устройства для наложения грузов 90, затем включают принудительное вращение поршня 94. В измерительной камере 88 посредством пневматической системы с вакуумным насосом ВН-461 (поз.68, фиг.1, 3) и компрессором, поз.69, фиг.1, 3, создают уравновешивающее давление, плавно регулируя его кранами-натекателями, расположенными в стойке 66, фиг.1, подгоняют весовое устройство 84 к положению равновесия, наблюдая за стрелкой индикатора ИФЭМ-3, поз.77, фиг.1, 2. Нулевое положение индикатора ИФЭМ-3 свидетельствует о равновесии поршневой системы манометра при подаче заданного абсолютного давления в камеру 88. Точное установление равновесия проверяют при свободном вращении поршня 80, также определяют действительное значение температуры поршневой пары 80, 81 посредством системы для измерения температуры.

Система для измерения температуры состоит из зеркального гальванометра ГПЗ, поз.72, фиг.1, переключателя бестермоточного ПБ-2Н-12П, вакуумного сосуда Дьюара, поз.71, фиг.1, и шести медь-константановых термопар. Диапазон изменения температуры составляет (293±1) K, погрешность температуры не превышает 0,01 K (по утверждению авторов разработки ГЭП 101-76).

Система термостатирования предназначена для поддержания постоянства температуры поршневых пар манометров МАД-5. Она состоит из термостата ТС-16, поз.70, фиг.1, 4, рубашек охлаждения поршневых пар манометров МАД-5 (на схемах фиг.1 и 2 не показаны, см. фиг.4) и систем трубопроводов.

Технические данные эталона ГЭТ 101-76 приведены в табл.3.

Погрешность эталона не превышает значений, указанных в табл.3, при соблюдении следующих условий:

а) поршень манометра МАД-5 в его рабочем положении должен быть вертикальным с отклонением, не превышающим ±0,5·10^-4 рад (±10″);

б) при вертикальном положении поршня, ролик, прикрепленный к грузоприемному устройству, должен быть в вертикальном положении с отклонением, не превышающим ±0,5·10^-4 рад (±10″);

в) давление в вакуумных камерах манометров МАД-5 не должно превышать 0,13 Па, (10^-3 мм рт.ст.);

г) марки, закрепленные на весовых устройствах манометров, при вращающихся поршнях, не должны иметь биения больше чем на 0,01 мм;

д) значение местного ускорения свободного падения должно быть известно с относительной погрешностью, не превышающей 1·10^-7;

е) относительная погрешность значения массы каждого груза не должна превышать 1·10^-6;

ж) сопрягающиеся поверхности поршней и цилиндров манометров МАД-5 должны быть смазаны маслом приборным МВП ГОСТ 1805-76;

З) температура поршневых пар манометров МАД-5 должна быть измерена с погрешностью, не превышающей 0,01 K;

и) изменение температуры поршневых пар манометров МАД-5 во время измерений не должно превышать 0,5 K;

к) при предварительном уравновешивании подвижных частей манометров МАД-5 и измерении избыточного давления должно быть учтено действительное значение плотности воздуха во время измерений.

Довольно пространное и длинное изложение описания ГЭТ 101-76, приведенное здесь, объясняется не только причиной отсутствия его в Интернете, но и отсутствием его как такового в виде другой доступной и подробной технической информации, кроме имеющейся скудной информации в [6, 7, 8]. А также тем, что невозможно в ходе дальнейшего изложения проводить достаточно аргументированную критику эталона без его описания, указывая на его технические недостатки, не опасаясь быть обвиненными в предвзятости и надуманности выдвинутых претензий. Чтобы критика эталона не была бы воспринята как голословные утверждения Заявителя.

Основными причинами, препятствующими достижению указанного ниже технического результата при использовании известного ГЭТ 101-76, являются:

- Удручающе большие масса и габариты эталона при сравнительно скромном (малом) воспроизводимом диапазоне дискретных значений абсолютного давления (10 дискретных точек) и сравнительно невысокой точности передачи размера единиц давления табл.3.

Материалоемкость эталона ГЭТ 101-76 на два порядка выше, чем материалоемкость любых известных рабочих эталонов абсолютного давления, например МАД-15, МАД-40, МАД-720.МПА-15.

- В Х∂ 1.456.256 ТО (СОСТАВ ЭТАЛОНА табл.2) по неизвестным причинам упущены, например, масса и габариты термостата ТС-16, которые по массогабаритным размерам сравнимы с МАД-5.

Там также отсутствуют масса, габариты, грузоподъемность и другие технические характеристики подъемника (тельфера), необходимого для снятия вакуумного колпака, поз.92, фиг.2, на последнем для этой цели имеется на крышке два рыма. Подъемник непременно должен входить в состав эталона, так как без него нельзя выполнить общие указания по эксплуатации (Х∂ 1.456.256 ТО, пункт 7), как то: проверить вертикальность установки поршней манометров с допустимым отклонением не более 0,5·10^-4 рад (10″), см. также стр.10, табл.3, пункт “а”.

Перед началом измерений абсолютных давлений в соответствии ТО необходимо определить порог чувствительности манометров МАД-5, для чего на грузоприемную тарелку 83 фиг.2 следует положить гири разновеса массой 50 мг, что должно соответствовать давлению, равному 0,1 Па. Без снятия колпака 91 этого не сделать; также не устранить и биения марок (см. стр.12, табл.3, пункт “г”), закрепленных на весовых устройствах 84 фиг.2 манометров при вращающихся поршнях 80 фиг.2, если эти биения больше чем 0,01 мм.

Отсутствуют в ТО и данные по массам вакуумных насосов (НВР-5Д и ВН-461М), поз.67, 68 фиг.1, 3; данные по массе и габаритам компрессора поз.69 фиг.1, 3; отсутствует тип, масса и габариты измерителя плотности воздуха, поз.73 фиг.1; не приведена суммарная масса всех вакуумных шлангов, эл. кабелей.

Так что общая масса ГЭТ 101-76, на самом деле, существенно превышает указанную в табл.3 массу 1300 кг, а габариты ГЭТ 101-76 существенно больше 2500×1000×1700 мм, если учесть размеры стойки и балку подъемника-тельфера.

Поэтому ГЭТ 101-76 не транспортабелен, не мобилен без проведения полного демонтажа его структуры.

ГЭТ 101-76 предъявляет жесткие требования к месту своей установки (см. стр.8, рабочие условия, требуемые для эталона): температура окружающего воздуха (20±1)°С, то есть требуется кондиционирование. При этом следует учесть, что норма рассеяния электрической мощности эталона порядка 2 кВт, что тоже нельзя считать хорошей характеристикой, особенно при ограниченных объемах помещения, где может быть размещен эталон. В помещении должны быть также подавлены низкочастотные колебания пола (грунта) в месте его расположения (амплитуда колебаний <2…10 мкм в диапазоне частот ~2…5 Гц).

Таким образом, место установки эталона должно быть аттестовано по уровню допустимых виброперемещений (виброскоростям и виброускорениям в указанной полосе частот).

- Эталон ГЭТ 101-76 имеет высокое значение нижней границы абсолютного давления - 0,27 кПа, обусловленное причинами субъективного конструктивно-технического порядка (разработчик эталона имел право, на свое усмотрение, выбирать параметры изделия).

Принятое при проектировании номинальное значение приведенной площади поршней (поз.80, фиг.2), равное 50 см², по нашему мнению, велико. Поэтому при наличии атмосферного давления в измерительной камере 88 фиг.2 и при создании давления в 0,1 Па в вакуумной камере 87, на нижнее основание поршня 80 воздействует сила более 500 Н (50 кГс). Нет никаких разъяснений о необходимости выбора столь большой площади сечения поршня.

Из-за выбора большой площади сечения поршня 80 его масса (с грузоприемной тарелкой 83) составляет 10 кг, а с учетом наложения полного набора грузов (10 штук, каждый с массой ~6,65 кг) достигает ~76 кг. Такая суммарная масса, до достижения момента полного уравновешивания, воздействует на узлы весового устройства 84, вызывая повышенный износ ножей опорных призм и подушек весового устройства, который со временем снизит его чувствительность. Большегрузные весы, как известно, имеют низкий класс точности (обычно 3-й, 4-й) и повышенную погрешность (δ≈±500 мг, при СКО σ≈100 мг) по сравнению с малогрузными весами.

Для весов, не имеющих шкалы, а снабженных указателем равновесия, цена поверочного деления - условное понятие, характеризующее их точность. Точность их также снижается с увеличением наибольшего предела взвешивания (НПВ).

Чувствительность весов должна соответствовать следующим требованиям. У весов, не имеющих отсчетных устройств, изменение измеряемой массы на абсолютное значение предела допускаемой погрешности должно вызывать отклонение указателя от положения равновесия не менее чем на 2 мм для весов с НПВ не свыше 2 кг и на 5 мм для весов с НВП свыше 2 кг.

Для убедительности заявленного утверждения приведем технические характеристики лабораторных квадрантных весов, некогда выпускавшихся в стране.

Высокие уровни создаваемых нагрузок на поршневую систему и класс весового устройства (вероятно, 3-й … 4-й) не согласуются, по нашему мнению, с завышенными требованиями по точности, предъявляемыми к массам грузов 85 (см. пункт «е» табл.3 технических данных).

Примечание. Заявители, конечно, помнят о том, что в МАД-5 используются двухпризменные весы с несимметричными коромыслами. Однако в ГПМах МАД-5 использован не обычный, типичный вариант построения двухпризменных весов, для которых характерно постоянное действие измеряемой нагрузки. Поэтому свойственная двухпризменным весам стабильность гравитационного момента устойчивости и компенсирующего момента (от которых зависит погрешность двухпризменных весов) для весового устройства 38 МАД-5 не выполняется.

- Обычный режим работы ГПМ МАД-5 связан с операцией последовательного наложения грузов. Она сопровождается соответствующим смещением (повышением) положения центра тяжести такой сборки. Однако при этом должно выполняться требование сохранить вертикальность оси поршня с погрешностью не хуже ±10″. Что, в свою очередь, требует использования увеличенной длины поршня. Но при большой длине поршня 80, сохраняются требования к обеспечению микронного зазора по всей рабочей длине поршневой пары. При этом ужесточаются требования по положению вектора результирующей силы: точка приложения этой силы должна быть как можно ближе к оси симметрии поршня (главной оси инерции поршня). Требования распространяются и далее: все грузы 85 должны обладать равномерной, изотропной плотностью, радиальной и осевой симметрией во избежание появления биений.

Сложности, сопутствующие проектированию неуплотненных поршневых пар, процессам их изготовления, подгонки, сборки и эксплуатации в ГПМах достаточно подробно изложены в [9] и здесь повторно излагаться не будут, как и те преимущества, которые дает применение поршневых пар, образованных структурно-сопряженными магнетиками (ПП ОССМ).

- Стоит также обратить внимание на очевидные трудности выполнения жестких требований обеспечения вертикализации осей симметрии поршня и ролика, который установлен на грузоприемном устройстве 83 фиг.2, с допустимым отклонением от вертикали места ±0,5·10^-4 рад (±10″), (см. пункты “а”, “б” табл.3).

Стойка МАД-5 имеет массу 500 кг и, как было отмечено, имеет 4 регулировочные ножки, которые стоят на цементном полу, как значится в ТО. Ампула уровня, по которой ведется установка вертикали, находится не менее чем на высоте плиты основания 92 фиг.2, то есть где-то на уровне ~800 мм над уровнем пола, что нецелесообразно.

- Из (Х∂ 1.456.256ТО) можно узнать, что при достижении в вакуумной камере 87 разрежения порядка ~10^-3 мм рт.ст. можно приступать к созданию и поддержанию абсолютных давлений.

Вопрос: за какое подготовительное время удается достичь этого разрежения?

Поясним причину возникновения такого вопроса. В МАД-5 применена разъемная герметизация объема камеры 87, так как эксплуатация изделия связана с регламентными операциями настройки, регулировки, заменой смазки.

Герметизация разъемного соединения колпака 91 с основанием 92 достигается при помощи резинового уплотнения 93, устанавливаемого в круговой гнездовой паз в основании 92, с последующим применением принудительного уплотнения - затягивания болтового соединения.

Длина периметра этого уплотнения достаточно большая - более 2 м. Кроме того, на колпаке 91 имеются три смотровых окна, в которые вставлены стекла, герметизация стекол осуществляется фланцами, которые крепятся винтами к колпаку 91. Помимо этого, в нижнюю часть боковой стенки колпака ввернуты и прикреплены четыре штуцера, на которых установлены два преобразователя манометрических термопарных и два преобразователя манометрических ионизационных, предназначенных совместно с вакуумметром ВИТ-2, поз.79 фиг.1, для измерения остаточного абсолютного давления в вакуумной камере 87. В вакуумную камеру 87 поступают также герметизированные вводы редукторов гиреналожения 95 и принудительного вращения 94. Герметизирован нижний торец измерительной камеры 88 - фланцем с прокладкой.

Вакуумный колпак 91, который часто снимают, а затем вновь ставят на место, вовсе не обязан безупречно обеспечивать функцию полной вакуумплотной герметизации.

К тому же абсолютная герметичность уплотнений труднодостижима. Для герметичности уплотнений введены классы их негерметичности (от 0 до 6). Наименьшие утечки возникают в неподвижных уплотнениях с диффузионной проницаемостью, а наибольшие - в щелевых уплотнениях. При оценке герметичности уплотнений для газовых сред критериями являются массовые удельные утечки Q_Г, мг·м^-1·с^-1.

В ТО на эталон ГЭТ 101-76 нет никаких оценок его герметичности. Отсутствуют расчеты (и экспериментальные данные) по герметизации и показателям качества герметизации МАД-5, важнейшего изделия в комплексе, обеспечивающего создание и воспроизводимость абсолютных давлений. Во-первых, нет расчетных данных усилий обжатия уплотнений для создания необходимого контактного давления p_кmin герметизации на уплотнительных поверхностях. Во-вторых, нет расчета и экспериментальной проверки натекания воздушной среды через уплотнительные соединения. Заметим, что необходимо строго соблюдать рекомендации по шероховатости и волнистости уплотнительных поверхностей (шероховатость поверхности деталей 91 и 92, соприкасающихся с уплотнениями 93, должна соответствовать 7 классу). Только в виде исключения допускается обработка по 6 классу шероховатости. Кольцевая расточка паза под уплотнение поз 93 фиг.2 на диаметрах порядка 800 мм должна выполняться в рамках жестких требований по эксцентриситету и чистоте.

Обычно при расчетах утечки (скорости натекания) через уплотнение поз.93 выбирают одну из двух моделей: или утечку через круглые капилляры, или ламинарное течение через плоскую щель (Пуазейлевский вариант). Утечка газа через зазор между уплотнительной прокладкой и сжимающими поверхностями (поз.91 и 92) для лучших эластомеров колеблется в пределах (8·10^-3…4·10^-6) Па·см³·с^-1, или (8·10^-8…4·10^-11) атм·см³·c^-1 на 1 см длины прокладки и зависит от материала и температуры. Для сведения и понимания проблемы, приведем такие данные: через отверстие диаметром 10 мкм расход газа составляет 5·10^-3 см³/с. При уменьшении диаметра отверстия до 0,1 мкм расход газа снижается на 4 порядка и составляет 5·10^-7 см³/с. Приведем, для примера, и такой показатель, как проницаемость системы «воздух-каучук (резина)» ~5·10^-11 м³/см²·с.

Поэтому нельзя отделаться от проблемы натекания и герметичности путем записи, см. пункт “в”, табл.3 ТО, что давление в вакуумных камерах манометров МАД-5 не должно превышать 0,13 Па.

В ТО нет расчета узла разъемной герметизации (поз.93 фиг.2). Не указана марка резины, используемой для уплотнений. Отсутствуют требования к резине: по твердости по Шору или Виккерсу (по ним определяют размеры гнезда посадки под уплотнение), по относительным остаточным удлинениям, пределу прочности и т.д. Не определены сроки службы уплотнений. Напомним, что коэффициент объемного расширения резины (разных марок) примерно в 10 раз больше, чем у стали, и равен (2…6,7)·10^-4, даже этот фактор может быть причиной разгерметизации узлов уплотнения.

- В Х∂ 1.456.256 ТО на эталон приведен ряд параметров с численными значениями императивного вида: такой-то параметр должен иметь такое-то значение. Но возникает вопрос: каким путем, посредством чего, за какое время и с затратами какого уровня это достигается?

Например, выдвигается требование, чтобы давление в вакуумных камерах 87 манометров МАД-5 не превышало 0,13 Па (10^-3 мм рт.ст.).

Казалось бы, с инженерной точки зрения, для облегчения выполнимости такой задачи не следовало бы размещать в вакуумных камерах поз.87 устройства грузоналожения поз.90 и фрагменты узла принудительного вращения поршня поз 94. Детали, которые выполнены с внутренними резьбами, с посадочными местами под шарикоподшипники, которые размещаются внутри трубных полостей; обилием шестеренок с посадками на валы, с наличием щелевых узостей в сборках узлов и деталей (см. фиг.2 поз.90, 94, 95). Цитируем (стр.15, 17188-00 ТО): «Грузы - кольцевой формы имеют кольцевые выступы и канавки. Внешние кромки их имеют коническую форму для центровки грузов. Выступы и канавки имеют одинаковые радиусы, поэтому соседние грузы при наложении на тарелку соединяются в «замок»». Но эти «замки» препятствуют эвакуации воздуха.

Не следует этого делать потому, что в открытых узких каналах, порах, узостях сопряжения деталей с размерами ~1 мкм (а это хорошо сопряженные поверхности деталей узлов) даже при высоком вакууме (от 10^-4 до 10^-8 мм рт.ст.) проявляется тенденция удержания давления от десятков до сотен мм рт.ст.

Истечение газов из малых отверстий (пор, сопряжений деталей с поверхностной шероховатостью) - процесс медленный и затрудненный (кнудсеновские течения). Поэтому вакуумируемые объемы не должны заполняться, без серьезного основания, лишними техническими структурами, препятствующими быстрой эвакуации газовой среды.

- Есть также достаточные основания сильно усомниться в возможности измерения температуры поршневых пар с погрешностью, не превышающей 0,01 K (см. табл.3, пункт “и”, погрешности эталона).

Постараемся пояснить сказанное.

Цитируем (17188-00 ТО, лист 12): «Снизу к плите корпуса 20 (в настоящем описании фиг.2 поз.92) прикреплены электродвигатели устройств вращения поршня и наложения грузов с редукторами и вакуумными вводами, а также паромасляный насос Н-05».

Напомним, что паромасляный насос ВН-05 (поз.78 фиг.1, 3, 4) имеет мощный электронагреватель порядка одного кВт и его тепловая мощность не утилизируется полностью системой его водяного охлаждения, так что окружающая среда постепенно нагревается при его работе.

Цитируем (17188-00 ТО, лист 28, пункт 9.6): «Категорически запрещается выключать вакуумный насос НВР-5Д или отключать его вентили ВАКУУМНЫЙ НАСОС №2 от паромасляных насосов Н-05, установленных в манометрах МАД-5, в течение 30 мин после выключения последних».

Цитируем (1788-00 ТО, лист 31, пункт 10.11): «Подайте воду от водопровода в рубашку охлаждения паромасляных насосов и змеевик охлаждения термостата Т-16 и включите термостат, поставив его тумблер СЕТЬ в положение ВКЛ».

Цитируем (1788-00 ТО, лист 34, пункт 11.14): «По окончании работы с эталоном выполните следующие операции:

- …

- Выключите печку паромасляных насосов.

- …

- Через 30 минут после выключения печек паромасляных насосов закройте вентили ВАКУУМ ПРИБОР 1 и ПРИБОР 2».

Вроде бы, все правильно, разумно, ничего предосудительного.

Но насколько продумано и обосновано решение установить паромасляный насос (поз.78 фиг.1, 4) на металлической плите корпуса поз.92 фиг.2, где размещена поршневая пара поз.80 и 81? Ведь в замкнутом пространстве, образованном кожухом, охватывающим внутренний объем станины МАД-5, появляется мощный тепловой источник.

То есть разработчики эталона как бы и понимают, что имеется источник тепловой мощности внутри объема кожуха, который ведет к его нагреву и росту температуры (если даже после отключения нагревателя (печки) паромасляного насоса 78 требуется его длительное охлаждение не менее получаса).

Но какими же руководствуются они соображениями, чтобы дожидаться некой стационарной точки температуры поршневой пары с погрешностью ±0,01°С при работе нагревателя паромасляного насоса 78, одному Богу известно.

Решение задачи нестационарной теплопроводности для многослойных сред с нестационарным теплообменом методами Г.М. Кондрашова не дают такой гарантии.

С инженерной точки зрения, неудачно выглядит и использование водяной рубашки, окружающей цилиндры поршневых пар (см. фиг.4, схема гидравлическая общая), в которые ввариваются трубки для размещения в них медно-константановых термопар.

Разнородные по физико-химическому составу свариваемые сплавы, внутренние швы сварки, неизбежное наличие окалины, окислов металлов, шлаковых включений и водная среда - прямой путь развития электрохимической коррозии с гарантией плохих последствий.

- Цитируем (17188-00 ТО лист 15.): «Грузопоршневой манометр снабжен 10 грузами, имеющими равную массу. Каждый груз уравновешивает давление, равное 13,3 кПа (100 мм рт.ст.) …».

Принятая калибровка грузов, поз.85 фиг.2, в единицах Па, на наш взгляд, должна быть признана также неудачной, так как однозначно привязывает эталон к конкретному месту его установки и лишает его возможности эвакуационного переезда и развертывания в другом месте (т.к. изменяется значение g).

Поскольку рабочий режим установки грузов происходит в вакууме, казалось бы, резоннее проводить и калибровку в принятых в СИ единицах массы, с учетом поправки на отсутствие действия аэростатических архимедовых сил. И потом, интересно узнать, как же вводятся поправки к массам грузов 85 от измерителя плотности воздуха 73?

Ведь согласно требованиям (1788-00 ТО, табл.3, пункт “е”): «относительная погрешность значения массы каждого груза не должна превышать 1·10^-6».

Заметим, что только эталонные меры масс классов 1а и 1 (E₁, Е₂ по классификации МОЗМ RIII) в 5 кг имеют допускаемое отклонение 2,5 мг.

В ГЭТ 101-76 все гири поз.85 нестандартной массы, каждая из них откалибрована на 13,3 кПа давления. Номинальная масса каждой гири одинакова, вот только геометрия каждой из десяти гирь здесь разная.

ГОСТ допускает вариант, что гири специального назначения могут иметь любую массу в зависимости от конкретного назначения гири. В комплект МАД-5 входят, как упоминалось, 10 гирь, каждая с индивидуальной геометрией, обусловленной устройством грузоналожения, и каждую нужно подгонять в допуск.

Допускаемые отклонения от номинального значения массы и допускаемые погрешности определения массы гирь даются для условия, когда аттестация и поверка гирь проводится на основе единой условной плотности материала гирь, равной 8·10³кг/м³ и номинальной плотности воздуха, равной 1,2 кг/м³.

Такие гири экономически невыгодны для весовых систем 3-го класса точности, а решение разработчика эталона (плохое решение) автоматического гиреналожения в вакууме не обосновано.

- Грубым упущением разработчиков схемы ГЭТ 101-76 является прямое подключение компрессора (поз.69) к измерительной камере ГПМ (поз.88).

Этого делать нельзя: компонентами загрязнений сжатого воздуха являются влага (вода) и компрессорное масло в парообразном состоянии, твердые и газообразные засорения. Причем наибольшую часть загрязнений обычно составляют вода и компрессорное масло.

Напомним, сжатие поступившего в компрессор воздуха сопровождается повышением температуры на 100…130°С. В процессе сжатия содержание влаги в удельном объеме воздуха увеличивается пропорционально росту давления, но при этом вследствие повышения температуры его относительная влажность в значительной степени снижается. Так, при давлении в системе 0,7 МПа и относительной влажности всасываемого воздуха 80% сжатый воздух на выходе из компрессора имеет относительную влажность 6-10%. При движении по пневмопроводам и другим элементам системы ГЭТ 101-76 воздух охлаждается вследствие теплообмена с окружающей средой, происходит перенасыщение воздуха водяными парами и их конденсация.

Пневмосхема ГЭТ 101-76 см. фиг.3 не содержит фильтров для очистки сжатого воздуха, способных задержать избыточные влагу, твердые аэрозоли, масляные загрязнения.

Обратим внимание на рабочую температуру эталона, равную (20±1)°С, при таком значении давление насыщенного пара воды равно P_t=20=2337,8 Па.

Добавим к этому (пусть на 2…3 порядка меньше) значение парциального давления паров масла. И зададимся вопросом, откуда же появилось значение нижней границы измерения эталона в 270 Па?

Ответа нет.

Для Государственного эталона абсолютного давления следовало бы использовать не компрессор, а баллон с чистым и сухим азотом и, все-таки, ставить фильтры.

Практика использования сжатого воздуха давно осознала необходимость классификации загрязненности сжатого воздуха по составу и содержанию посторонних примесей. Всего имеется 15 классов загрязненных примесей сжатого воздуха (СТ СЭВ 1704-79), предназначенного для питания пневматических устройств и систем.

Для ГЭТ абсолютного давления необходимо использовать нулевой класс загрязненности. Он оговаривает предельный размер твердых частиц не более 0,5 мкм и содержание твердых примесей не более 0,001 мг/м³, причем наличие воды и масла (в жидком состоянии) не допускается.

Такой промах в разработке ГЭТ удивляет.

Источниками загрязнения сжатого воздуха маслом могут являться смазка компрессора и пневматические устройства, масляный фильтр на линии всасывания компрессора, пары и масляные аэрозоли в окружающем воздухе. Предельная концентрация паров масла в воздухе, как и паров воды, уменьшается с понижением температуры и повышением давления.

Вынос в линию нагнетания смазки компрессора обычно является основной причиной загрязнения сжатого воздуха маслом. Количество масла, поступающего в линию нагнетания, можно определить исходя из норм расхода смазки в поршневых компрессорах различных типов по ГОСТ 18985-79.

Вынос масла в линию нагнетания поршневых компрессоров малой производительности оценивается значениями порядка ~100…150 мг/м³.

Высокая температура в поршневом пространстве компрессора и на начальном участке линии нагнетания приводит к парообразованию и, частично, термическому разложению масла. В результате этих процессов до 5-6% масла окисляется и в виде нагара и лакообразной пленки осаждается на внутренней полости компрессора и пневмоприводов, а легкие фракции в виде паров и мелкодисперсной фазы уносятся воздухом в систему и могут быть источником загрязнений измерительных камер 88 МАД-5 и неуплотненных поршневых пар 80, 81.

Для класса нулевой загрязненности, который должен быть использован для ГЭТ, можно применять фильтры ФВ-336 ГОСТ 14266-69 или ФВ 6. Можно рекомендовать предварительно устанавливать фильтры с номинальной тонкостью фильтрации от 10 до 25 мкм.

Пора подвести некоторые итоги отмеченных недостатков ГЭТ 101-76.

- Полное отсутствие ясной, доказательной, мотивированной концепции выбора архитектуры, структуры и состава эталона, представляющего собой измерительный комплекс. Эталон ГЭТ 101-76 описан и представлен просто таковым, каков он есть. Поэтому нет никакого убедительного довода против предположения, что эталон мог быть, даже для времени своего проектирования, лучше, проще по конструкции, меньших масс и габаритов; иметь меньший уровень потребляемой мощности, иметь более надежную и высокую помехоустойчивость к механическим и климатическим воздействиям. Обычно по такому поводу говорят, отсутствовал системный подход к проектированию измерительного комплекса.

- Количество воспроизводимых дискретных значений абсолютного давления мало - всего десять точек. Расширение верхней границы измерений до 400 кПа не столь интересно и значимо, по сравнению с решениями, позволяющими расширить нижнюю границу измерения и воспроизведения абсолютного давления в области среднего вакуума.

- Совсем не обоснован, не аргументирован выбор площади сечения поршня, его длины, приведшие к необходимости обеспечивать уравновешивание больших сил давления; ничего не сказано о погрешности определения эффективной площади поршня.

- Выдвигаемые в императивной форме требования обеспечения высоких точностей от параметров сопутствующих измерению давления (например, температуры, отклонению от вертикали и т.п.) не подтверждены ясным и четким пониманием реальных возможностей используемых технических средств.

- Полная неопределенность с времязатратными операциями подготовки эталона к измерениям и продолжительности их проведения (нет никаких данных по времени достижения рабочего вакуума и его временной устойчивости; необходимом времени для стабилизации температуры поршневой пары; времени, затрачиваемого на проведение одного дискретного измерения, например, для определения значения «абсолютного нуля давления»).

- Не обоснована принятая в эталоне схема автоматического грузоналожения в вакууме и принятая для грузов калибровка их в единицах давления, а не в единицах массы.

- Индивидуальная специфичность формы грузов (дорогостоящих и трудозатратных) создает лишние неудобства в подходе к приемам проведения их аттестации и поверок, исключает возможности быстрого развертывания эталона в другом месте.

- Не приведено значение давления насыщенных паров приборного масла МВП-5 для температуры 20±1°С, применяемого для смазки поршневой пары.

- Отсутствует временной регламент замены резиновых уплотнений эталона, определяемый их естественным временным старением.

- Отсутствуют фильтры очистки воздуха, подаваемого компрессором в измерительные камеры ГПМов, что просто недопустимо.

Даже это перечисление технических недочетов, упущений и ошибок, допущенных в Государственном специальном эталоне единицы давления для абсолютного давления, вызывает удивление и выглядит крайне удручающим.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявляемой группы изобретений, образующих единый изобретательский замысел, достигается тем, что в приводимых вариантах построения манометров абсолютного давления, содержащих электронные силоизмерительные и силокомпенсирующие устройства, поршневые пары, образованные структурно-сопряженными магнетиками, разъединяющие объемы вакуумных (сравнительных) камер от объемов измерительных камер, пневмолинии камер могут селективно подключаться к пневмомагистралям технических средств создания вакуума, давления или нормализованного воздуха атмосферы путем программного переключения э/м клапанов распределительного коммутатора, отличающихся тем, что:

- экспонированная в вакуумную камеру кольцевидная поверхность «магнитной жидкости» для снижения ее испаряемости в высоком вакууме покрыта тонким слоем жидкого металлического сплава галлия, индия и олова, при строго определенном процентном составе его ингредиентов. Такое покрытие гарантирует наличие ничтожно малого значения давления его насыщенных паров в вакууме и, соответственно, быстрое достижение режима разрежения в объеме вакуумной камеры.

- Магнитопровод в цепи ССМ содержит магнитострикционный ультразвуковой излучатель, основной вариант выполнения которого заключается в следующем. На замкнутом кольцевом поясе магнитопровода ПП ОССМ созданы неглубокие поперечные локальные проточки (прорези). Конфигурация магнитопроводов предусматривает установку в них магнитострикционных ультразвуковых излучателей стержневого типа. Катушки возбуждения излучателей подсоединяются к внешнему ВЧ генератору. Работа их обеспечивает передачу УЗ колебаний по телу магнитопровода в зону жидкой суперпарамагнитной среды, вызывая в ней конвективное движение - перемешивание. Оно препятствует возникновению диполь-дипольного взаимодействия магнитных частиц-доменов, которое возможно при наличии воздействия сильного магнитного поля в зазоре. Сильное неоднородное магнитное поле может привести к образованию в объеме «магнитной жидкости» крупномасштабных структур (кластеров, цепей, капельных агрегатов), нарушающих дисперсную однородность жидкой магнитной среды, ухудшая ее качества.

- Материалы и поверхности вакуумных камер выбраны и выполнены исходя из требований выдерживать многократные циклы интенсивного, но кратковременного нагрева, до 150°С. Нагрев создается либо при помощи внешних источников инфракрасного излучения, либо путем проведения конструктивно-технологических мероприятий. Мероприятия должны предусматривать покрытие поверхности вакуумных камер электропроводящей резистивной пленкой, кратковременно подключаемой к внешнему источнику электропитания, этим обеспечивается режим их кратковременного прогрева.

Данные мероприятия позволяют обеспечивать газовую десорбцию с внутренней поверхности вакуумной камеры, что необходимо для получения и поддержания высокого разрежения в вакуумной камере манометра.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что рассматриваемые варианты манометров абсолютного давления построены на основе ПП ОССМ с электронными весоизмерительными системами, позволяющими полностью исключить из текущих результатов измерения составляющую силы, обусловленную массой поршня, путем предварительной компенсации ее значения перед началом измерений. И при этом предполагается, что диамагнитные материалы поршневой пары выбраны со стабильными характеристиками физико-химических свойств, включая малое значение ТКЛР. Это обеспечивает точное определение и сохранность постоянства значения площади сечения, по которому интегрируется измеряемое значение давления [9]. Привлекательные качества ПП ОССМ здесь дополнены и усилены вышеизложенной группой изобретательских предложений, которые позволяют получить гарантированный уровень высокого и стабильного вакуума в сравнительной камере манометра абсолютного давления.

Перечисленные мероприятия позволяют достаточно быстро получить реально стабильное состояние разрежения газовой среды в вакуумной камере сравнения на уровне высокого вакуума (не менее 10^-4 мм рт.ст.), относительно которого проводится отсчет нулевого давления. А также уверенно и надежно поддерживать и сохранять достигнутое значение вакуума в процессе измерения и воспроизведения значений абсолютных давлений, что, в своей совокупности, является залогом высокой точности измерений.

В более сжатом изложении, вышеперечисленные решения можно сформулировать нижеследующим образом.

Манометр абсолютного давления, содержащий электронные силоизмерительные и силокомпенсирующие устройства, поршневую пару, образованную структурно-сопряженными магнетиками, разъединяющую объемы вакуумной (сравнительной) камеры от объема измерительной камеры, пневмолинии которых могут селективно подключаться к пневмомагистралям технических средств создания вакуума, давления или нормализованного воздуха атмосферы путем программного переключения э/м клапанов распределительного коммутатора, отличающийся тем, что:

- жидкая суперпарамагнитная среда ПП ОССМ, экспонированная во внутреннее пространство вакуумной камеры, защищена от испарения путем покрытия ее поверхности тонким слоем жидкого сплава, образованного галлием, индием и оловом, в определенных пропорциях, обладающим крайне низким давлением собственных насыщенных паров;

- в магнитопроводе ПП ОССМ локально установлены УЗ излучатели, работа которых обеспечивает временную стабильность дисперсной однородности жидкой суперпарамагнитной среды по ее объему;

- проводится принудительная (предваряющая началу измерений) десорбция газовой среды с внутренней поверхности вакуумной камеры либо путем ее кратковременного прогрева инфракрасным облучением от внешнего источника, либо путем специальной подготовки ее поверхности, предусматривающей нанесение на нее резистивного токопроводящего пленочного покрытия, подсоединяемого кратковременно к внешнему источнику электрического питания.

Проведенный анализ общедоступных источников информации об уровне техники в данной области измерений не позволил выявить технические решения, тождественные заявляемым, на основании чего делается вывод о неизвестности последних, то есть о соответствии предоставленных в настоящей заявке решений критерию «новизна».

Сопоставительный анализ заявленных решений с известными техническими решениями позволил выявить, что представленная совокупность отличительных признаков неизвестна для специалиста в данной области и не следует явным образом из известного уровня техники, на основании чего делается вывод о соответствии представленных в настоящей заявке решений критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 приведена схема общей структуры эталонного манометра абсолютного давления (ТЭТ 101-76).

Фиг.2. Принципиальная кинематическая схема манометра МАД-5, входящего в состав ГЭТ 101-76.

Фиг.3. Схема вакуумная общая. Государственный специальный эталон единицы абсолютного давления ГЭТ 101-76 (Х∂ 1.456.256 В 6, 1987 г.) (Копия с подлинника 1987 г.).

Фиг.4. Схема гидравлическая общая. Государственный специальный эталон единицы абсолютного давления ГЭТ 101-76 (Копия с подлинника 1987 г.).

Фиг.5. Схема общей структуры манометра абсолютного давления с поршневой парой, образованной структурно-сопряженными магнетиками с диамагнитным поршнем в совокупности с электронными средствами силоизмерения (эл. весами). Вариант 1.

Фиг.6. Схема вакуумной системы МАД по фиг.5.

Фиг.7. Схема общей структуры МАД с поршневой парой, образованной ССМ с магнитным поршнем и с электронными весами. Вариант 2.

Фиг.8. Структурная схема устройства измерения силы и уравновешивания ее путем силовой компенсации.

Фиг.9. МАД с ПП ОССМ с преобразователем перемещения и обратным магнитоэлектрическим преобразователем. Вариант 3.

На фиг.5 представлена схема одного из возможных вариантов исполнения манометра абсолютного давления с поршневой парой, образованной структурно-сопряженными магнетиками (ПП ОССМ), которая задействована на работу с внешними электронными средствами силоизмерения (электронными весами).

Принятая на фиг.5 графика связей: пневматические магистрали показаны сплошными жирными линиями; электрические - тонкими.

Примечание. В [9] рассмотрены варианты структур ПП ОССМ и варианты их использования в построении эталонных манометров малых давлений и, в частном случае, для измерения абсолютного давления. Поэтому в настоящем описании мы будем избегать повторений технических сторон построений ПП ОССМ и аспектов их использования, которые изложены в [9], и уделим внимание отличительным сторонам предлагаемых вариантов построений манометров абсолютного давления для измерения и воспроизведения малых давлений.

В рассматриваемом варианте фиг.5 поршневая пара 1 образована поршнем 2 и цилиндром 3. Поршень 2 выполнен из диамагнитного материала в виде пустотелого стакана-оболочки, тонкостенного и виртуально подвижного. Цилиндр 3 имеет торообразную пустотелую форму. В экваториальной области этого тора коаксиально расположены два кольцевых твердых магнита 4 и 5 с конгруэнтными поперечными сечениями. Отметим очевидный факт, что внешний диаметр кольцевого магнита 4 значительно меньше, чем внутренний диаметр кольцевого магнита 5, его коаксиально охватывающего.

Разнополярные полюса кольцевых магнитов 4 и 5 охвачены магнитопроводом 6. Причем так, что в верхней зоне магнитопровод 6, образует полюсные наконечники 7 магнитов 4 и 5, сходится с небольшим кольцевым зазором 8, формируя профилированную щель, сужающуюся к полости тора.

Щель кольцевого зазора 8 между полюсными наконечниками 7 заполняется последовательно: вначале щель заполняется жидким суперпарамагнетиком (СПМ) 9, затем поверх него наносится тонкий жидкий слой сплава галлия, индия и олова, который носит название галинстан 10.

Примечание. Возможность поверхностного покрытия СПМ 9 жидким слоем галинстана 10 может быть осуществлена только при наличии сильно неоднородного (градиентного) магнитного поля, возникающего в сужающемся зазоре (щели) между полюсными наконечниками 7 сильных магнитов 4, 5 (например, стронциево-бариевых ферритов, см. [9]).

В этом случае вступает в силу специфический магнитогидростатический сепаратационный эффект. Этот эффект магнитогидростатической сепарации (МГСС) хорошо изучен, освещен и известен [11, 12] и используется в практических целях сепаратационного разделения твердых немагнитных сред по их плотности.

Сущность способа МГСС - плавание тяжелых намагниченных тел, погруженных в «магнитную жидкость» под действием неоднородного магнитного поля. Такое поле приводит к квазиутяжелению «магнитной жидкости», вследствие чего всплывают немагнитные тела высокой плотности - медные, свинцовые, золотые.

Упомянутые вещества имеют существенно более высокие показатели удельной плотности, нежели удельная плотность галинстана.

Свое название сплав получил от первых букв названий металлов, входящих в его состав: галлия, индия и олова. Это жидкий металлический сплав следующего состава: галлия (65%) - диамагнетик, индия (21,5%) - диамагнетик, олова (10%) - слабый парамагнетик. Галинстан замерзает при температуре минус 19°С, закипает при 1300°С, а при комнатной температуре остается жидким и подвижным. Плотность сплава 6,44 г/см³, он не растворяется в воде и органических растворителях. Элементы, входящие в галинстан, малотоксичны, так что он практически безвреден и его применение не опасно. Именно он является альтернативой ртути в медицинских градусниках.

Предлагаемое авторами покрытие галинстаном жидкого СПМ поз.9, зеркало поверхности которого экспонировано в пространство вакуумной камеры, предусматривает существенное снижение испаряемости СПМ в условиях вакуума. Это мероприятие очень полезно и дает эффект даже при условии, что при выборе жидкой основы СПМ принималась во внимание необходимость иметь низкие значения его насыщенных паров.

Скорость испарения определяется поверхностной плотностью потока пара j_п., проникающего за единицу времени в газовую фазу с единицы поверхности жидкости, и выражается в виде $$\frac{моль}{с\cdot {м}^2}$$ или $$\frac{кг}{с\cdot {м}^2}$$ . Наибольшее значение j_п. достигает в вакууме. Кстати, отсюда вытекает требование - по возможности иметь малые поверхности жидкости, доступные для испарения в вакууме.

Если испарение происходит в замкнутом объеме, т.е. вещество находится в соприкосновении со своим паром, то через некоторое время наступает состояние равновесия. В этом случае давление пара достигает состояния насыщения.

В вакууме, в режиме непрерывной откачки, равновесие не может наступить, так как по мере образования пара происходит его удаление.

Скорость испарения в условиях вакуума, выражается формулой

Она позволяет оценивать массу вещества, испаряющегося за единицу времени, если известны абсолютная температура T и давление насыщенного пара для равновесного состояния Р_нас, причем здесь R_o - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль·K (если Р_нас выражено в Па), а M - молекулярная масса испаренного вещества, кг/моль.

С изложенной позиции наиболее перспективными для жидкой основы СПМ следует признать кремнийорганические (силиконовые), фторорганические жидкости.

Следует отметить также такой важный показатель, как удельная теплота испарения: чем больше ее значение, тем медленнее будет испаряться жидкость при ограничении потока поступающей тепловой энергии.

Удельную теплоту испарения относят к одному молю жидкости (мольная теплота испарения, Дж/моль, или к единице ее массы, массовая теплота испарения, Дж/кг).

Закончим это примечание сопоставлением некоторых численных показателей физических величин, характеризующих жидкий галлий и жидкую ртуть.

Ртуть, как было упомянуто, является манометрической жидкостью нового эталона ЛИРМ.

При составлении табл.5 использованы следующие зависимости:

Давление пара. Уравнение температурной зависимости давления пара над жидким галлием и ртутью:

Поверхностное натяжение галлия:

γ_Ga=0,712-6,06·10^-5(T-303), [мНм^-1]

Поверхностное натяжение γ приведенных в табл.5 жидких металлов может быть представлено линейным уравнением в интервале наиболее употребительных температур:

γ=γ_o+(T-T_пл)(dγ/dT).

Вязкость. Для приведенных металлов изменение вязкости η с температурой Т, K можно представить уравнением:

η=η₀exp(E/R₀T),

где

η₀ и Е - константы, их значение приведено в табл.5, a R₀ - газовая постоянная, равная 8,3144 Дж/K·моль.

Плотность. Изменение плотности ρ большинства жидких металлов в зависимости от температуры хорошо выражается линейным уравнением:

ρ=ρ₀+(T-Т_пл)(dρ/dT), где

ρ₀ - плотность жидкого металла при температуре плавления Т_пл.

Вернемся к прерванному описанию фиг.5.

Чтобы галинстан 10 не прилипал к поверхности стакана поршня 2, который может быть изготовлен из кварцевого стекла марки С5-1 (либо стекла другого сорта, углепластика, аллунда, ситалла, бериллиевой бронзы и т.п., то есть из диамагнетиков), поверхность его должна быть покрыта либо пленкой оксида галлия (Ga₂O₃), либо слоем полиэтилена микронной толщины. С этими веществами галинстан не адгезирует. (Галлий расфасовывают в пленочные полиэтиленовые пакеты, так как он их не смачивает.)

Вдоль нижнего «U»-образного обвода тора магнитопровода 6 равномерно расположен ряд неглубоких проточек-ниш 11. В нишах 11 установлены (радиально по отношению к оси симметрии всего изделия) УЗ излучатели 12. Они представляют собой магнитострикционные стержни с катушками возбуждения, которые подсоединены к внешнему ВЧ генератору.

Примечание. Введение в структуру предлагаемого манометра УЗ магнитостриктора 12, нагруженного на ВЧ генератор 31, обусловлено необходимостью создания УЗ механических колебаний, препятствующих процессу возможного возникновения диполь-дипольного взаимодействия магнитных доменных частиц в СПМ, создающего предпосылку для дальнейшего развития явлений их седиментации в неоднородном сильном магнитном поле. Процесса изменяющего равновесное, устойчивое состояние СПМ.

Ультразвуковые волны механических колебаний, перемещаясь по телу магнитопровода 6 в зону СПМ 9, позволяют увеличить энергию броуновского движения жидкости и вызвать в пограничном слое (магнитные полюсные наконечники 7 - СПМ 9) явление радиационного давления и акустического перемешивания.

Преобразование электрических колебаний в механические колебания осуществляется с помощью магнитострикционного преобразователя. Работа преобразователя основана на том, что некоторые ферромагнитные материалы и сплавы (магнитострикционные материалы МСМ) в режимах перемагничивания изменяют свои геометрические размеры - укорачиваются и удлиняются в направлении силовых линий магнитного поля.

Магнитное состояние МСМ в эксплуатационных условиях определяется одновременным воздействием постоянной магнитной индукции В₀ и переменной (изменяющейся по синусоидальному закону) индукции B(t)=B_m·sinωt. Индукция В₀ в сердечнике 12 - это частично отведенная индукция из магнитной цепи магнитопровода 6 сильных магнитов 4, 5.

Если в таком магнитно-поляризованном сердечнике 12 выполняется соотношение B_m<<В₀, то между амплитудами магнитных переменных (B_m,H_m, M_m) и соответствующих механических переменных (механического напряжения σ_m и деформации u_m) существуют линейные соотношения.

Таким образом, магнитострикционные колебания небольшой амплитуды в магнитно-поляризованной среде внешне вполне аналогичны пьезоэлектрическим.

С увеличением В_m, пропорциональность между B_m и σ_m или B_m и u_m нарушается (магнитно-механическая нелинейность). Если B_m≥B₀, то характеристика МСМ существенно нелинейна; при отсутствии подмагничивания (В₀=0) механические колебания на частоте возбуждения сигнала вообще отсутствуют, то есть возникают только колебания на двойной частоте и высших четных гармониках. При этом эффективность преобразования энергии в МСМ резко падает.

Наибольшей магнитострикционной деформацией обладает никель. (До начала 60-х годов прошлого века никель наиболее широко использовался в технике; в настоящее время его применение ограничено, так как появились более эффективные МСМ и пьезоэлектрическая керамика.) В качестве МСМ применяют обычно железокобальтовые сплавы 49К2Ф (50КФ), а также 65К. Они относятся к числу прецизионных магнитомягких сплавов (ГОСТ 10160-75).

Пермендюр 49К2Ф (50КФ) отличается большими значениями индукции насыщения B_s≈µ₀·B_m и значением продольной магнитострикционной деформации насыщения - коэффициентом магнитострикции λ_s, высокими динамическими магнитострикционными параметрами, даже при повышенных температурах. Предельная интенсивность излучения преобразователей из пермендюра в четыре раза больше, чем никелевых.

Законченная сборка магнитного цилиндра 3 устанавливается в предназначенный ему паз несущей платформы - основания 13. Посадка сборки цилиндра 3 осуществляется либо на подслой эпоксидных компаундов повышенной эластичности (типа ЭЗКПЭ), либо на герметики густой консистенции (типа «Виксинт»). Для улучшения адгезии компаундов и герметиков к металлу магнитопровода 6 и ферритов 4, 5 на них следует нанести подслой из лаков П11 или П90.

Конструкционным материалом для изготовления платформы-основания 13 могут служить: сплавы алюминия (например, Ал 3, Ал 7), алюминиевых бронз (Бр А7), латуни (ЛЦ 30 A3, ЛЦ 40С), магниевые сплавы (МА2), титановые сплавы (ВТ1Л).

Платформа 13 выполнена в виде усеченного кругового цилиндра. На лицевой поверхности платформы 13 имеются симметричные круговые глубокие прорези-проточки, которые посредством радиально идущих к ним каналов 14, 15, 16 (выполненных сверлением) связывают прорези с боковой поверхностью.

На поверхности платформы 13 имеется также круговой паз 17 для установки уплотнительного вакуумного кольца из витона.

Каналы 14, 15 позволяют обеспечить подсоединение платформы 13 к периферийным устройствам. Канал 14 - канал вакуумной откачки, канал 15 - канал подачи давления, компрессии, канал 16 - канал связи с поверяемыми СИ и с нормализованной воздушной средой.

В жидкостные слои зазора 8 устанавливается поршень 2 своей нижней цилиндрической частью.

Сквозь полюс оболочки поршня 2 (по обе его стороны) нормально к поверхности проходит жестко закрепленный тонкий стержень-шток опоры 18, обеспечивающий контакт и поддержание оболочки поршня 2 на весоизмерительной чашке устройства 23 (эл. весов).

Концевые участки стержневой опоры 18 проходят сквозным образом через зоны магнитножидкостных вакуум-плотных миниатюрных уплотнителей (ММЖУ) 19, один из которых установлен в углубление по центру платформы 13, а другой ММЖУ 19 - в топовом полюсе вакуумной оболочки 20.

Вакуумная оболочка 20 может нести на внешней поверхности токопроводящее резистивное пленочное покрытие 21, но может и не иметь его. В последнем случае ее прогрев может быть осуществлен внешними источниками оптического излучения, например кварцевыми йодными лампами.

Примечание. Задачей прогрева поверхности оболочки 20 является улучшение процесса ее обезгаживания, а в случае использования внешних источников лучистой энергии возможно обезгаживание и внутри ее находящихся поверхностей.

Напомним, что в основе взаимодействия газов и паров с твердыми телами лежат процессы адсорбции, абсорбции, хемосорбции, а также поверхностные химические реакции. Газы и пары находятся в материале оболочки 20, а также и в материалах узлов и деталей поз.2, 6, 9, 10, 11, притом в различных физико-химических состояниях, а именно в виде:

газовых поли- и мономолекулярных пленок на их поверхностях, микрогазовых включений («пузырей») в приповерхностных слоях материала, химических соединений с материалом узлов и деталей; различных поверхностных загрязнений, а также и в приповерхностных слоях материалов.

Газы и пары имеют малое значение коэффициента диффузии через стекла и ситаллы. При температуре эксплуатации из толщи стекла, ситалла, металлических сплавов к поверхности диффундирует лишь ничтожно малое количество газа, содержащегося в объемах упомянутых материалов. Поэтому в процессе дегазации вакуумного объема оболочки 20 практически необходимо обезгазить лишь поверхностные и приповерхностные слои оболочки 20, толщина которых составляет ~10…20 мкм.

Оболочку 20 можно обезгазить путем:

- нагрева ее поверхности электрическим током, пропускаемым через нанесенные на нее резистивные проводящие пленки,

- внешним обогревом инфракрасным, ультрафиолетовым или световым излучением специальных ламп. Причем чем больше на поверхности содержится паров воды, тем сильнее она будет поглощать инфракрасные лучи, и это будет сопровождаться процессом десорбции влаги, удаляемой вакуумной откачкой.

Сама стеклянная (или ситалловая) оболочка может быть прозрачна для инфракрасного излучения, это достигается, если в состав исходной стекольной массы была введена окись галлия.

Здесь, вероятно, стоит отметить такой важный момент, что проникающее внутрь вакуумной оболочки оптическое тепловое излучение не окажет негативных воздействий ни на магнитную систему (поз.4, 6, 5), ни на СПМ 9, поверхность которого покрыта галинстаном 10. Покрытие из галинстана обладает очень хорошими светоотражающими свойствами и защищает СПМ от нагрева и испарения в вакуум при интенсивной дегазации объема под оболочкой 20. Объясняется это тем, что зеркало жидкого галлия и индия отражает 88% падающего на него света. Наличием испарения с поверхности галинстана, как упоминалось ранее, можно попросту пренебречь.

Объясняется это тем, что пары галлия в отличие от его жидкого (и твердого) состояния одноатомны, в то время как в упомянутых фазах они образуют двухатомный комплекс, а разрыв двухатомного комплекса Ga₂ на два одиночных атома требует больших затрат энергии. Этим и объясняется трудность испарения галлия.

Пора, однако, вернуться к вопросу нанесения резистивного проводящего покрытия на поверхность оболочки 20.

Известно, что в различных областях техники для нагревания изделий из стекла используются электропроводящие пленки. В качестве токопроводящих покрытий используют в основном окислы, сульфиды, селениды и фосфиды металлов, различающиеся электрическими, химическими и оптическими характеристиками. Эти пленки получают преимущественно гидролизом растворов или пиролизом соответствующих соединений при температуре (500…600)°С, а также окислением тонких слоев металла. Известен также метод нанесения оксидных пленок катодным распылением. Этим методом получают пленки окислов олова, индия, кадмия, титана, молибдена, вольфрама, ванадия и другие.

Для получения токопроводящих слоев, обладающих высокой электропроводимостью и стойких во влажных и восстановительных средах, могут служить покрытия из нитрида титана.

Пленки из нитрида титана можно наносить на поверхность оболочек из термостойких (до 1100°С) материалов, устойчивых к действию водорода и аммиака (кварц, фарфор, керамика, стекло и т.д.), путем обработки аммиаком слоя металлического титана или двуокиси титана, нанесенного на стекло. Токопроводящие покрытия из нитрида титана устойчивы при нагревании на воздухе до температуры 250°С, в вакууме - до (800…900)°С, они не разрушаются в воде.

В нашей стране в свое время был освоен серийный выпуск стеклоизделий с токопроводящими покрытиями из двуокиси олова (Клинское СКТБ СП разработало технологию и оборудование для нанесения токопроводящих покрытий на различные изделия из стекла и внедрило их в промышленное производство на заводах бывшего Минприбора).

Для нанесения пленки двуокиси олова чаще всего используют раствор хлорного олова (SnCl₄), который наносят на предварительно нагретую поверхность стекла. Такие пленки хорошо закрепляются на поверхности стекла, они характеризуются высокой механической прочностью и химической устойчивостью, обладают высокой удельной электропроводимостью. Удельное поверхностное сопротивление пленки линейно зависит от ее толщины. Варьируя толщину пленки, можно получать покрытия с различной электропроводимостью.

Токопроводящая пленка двуокиси олова термически достаточно устойчива: в интервале температур от 0°С до 270°С на воздухе электропроводимость пленки практически не изменяется во времени. Для нагревания оболочек до температуры (150…200)°С достаточной является мощность в 0,5 Вт/см². Толщина токопроводящей пленки составляет 0,5 до 2 мкм.

Пленки окислов олова абсолютно прозрачны для зеленого, желтого, красного цветов, несколько больше поглощают синий цвет и значительно поглощают лучи с длиной волны менее 370 мкм, поэтому они имеют светло-желтую окраску в проходящем свете. При наибольшей толщине пленки прозрачность стекла снижается всего на 5…10%, что практически не сказывается на работе с изделиями, имеющими токопроводящие покрытия. Значение полного сопротивления обычно составляет ~10…50 Ом.

Ток к токопроводящему покрытию на изделиях подводится при помощи силикатно-серебряных шинок, на которых закрепляются съемные металлические контакты, подсоединяемые к источнику электрического тока. Для регулирования степени нагревания изделия с токопроводящими покрытиями их включают в сеть через лабораторный трансформатор.

Авторы отмечают, что наиболее хороший вакуум под оболочкой 20 можно достичь при выполнении следующих мероприятий:

- путем нанесения внешнего резистивного токопроводящего покрытия на оболочку 20;

- путем химической очистки наружной и внутренней поверхностей стекла оболочки.

Выбор растворов для химической очистки зависит в основном от химической стойкости стекла. Под химической стойкостью стекла подразумевают его способность противостоять действию растворов и паров химически активных веществ.

По химической стойкости стекла делят на пять классов: самые стойкие стекла (например, С 37-1, С 47-1) относят к первому классу, наименее стойкие (например, С 52-1, С 48-1) - к пятому классу.

Химически устойчивые стекла подвергают очистке путем мойки в растворах плавиковой кислоты, бифторида аммония или обработке в парах этих веществ. Плавиковая кислота или бифторид аммония служат:

- для удаления (растворения) поверхностного слоя стекла вместе со всеми содержащимися в нем загрязнениями;

- для придания стеклу требуемой степени шероховатости, повышающей прочность сцепления со стеклом наносимых на него покрытий;

- для повышения механической прочности стекла и снижения его газовыделения в вакууме за счет удаления микротрещин, царапин, неоднородностей и других поверхностных дефектов.

Высокая степень очистки химически неустойчивых стекол достигается мойкой их в хромовой смеси, которая представляет собой насыщенный при комнатной температуре раствор хромпика (бихромата калия) в концентрированной серной кислоте. Хромовая смесь в отличие от плавиковой кислоты не вступает в химическое взаимодействие со стеклом оболочки 20, не растворяет и не изменяет структуру поверхностного слоя стекла. Однако вследствие окислительных свойств, хромпик переводит большинство неорганических загрязнений в легкорастворимые в серной кислоте соединения, а органические загрязнения он окисляет и разрушает. Серная кислота служит кислой средой, необходимой для окисляющего действия бихромата калия, и, кроме того, растворяет окисленные соединения.

Вернемся к ММЖУ 19. Они выполнены на основе миниатюрных «Ф»-образных сильных постоянных магнитов, межполюсное пространство которых заполнено СПМ. В проемы окон «Ф»-образных магнитов герметично вставлены плоские пустотелые стеклянные проходные вкладыши (типа флакончика-«непроливашки»), заполненные галинстаном. ММЖУ 19 выполнены как самостоятельные комплектующие изделия. По внешнему виду это миниатюрные цилиндры с узкими прорезями на своих торцах, с прозрачными боковинами по образующей, так как получены путем заливки их сборки прозрачным герметиком. ММЖУ 19 герметично уплотняются по месту своей установки.

В днищевой плоскости платформы 13 имеются спиральные канавки, служащие для укладки медного змеевика 22 системы термостатирования. Змеевик 22 выполнен по геометрии сдвоенной спирали (бифилярно), обеспечивающей режим противотока водной среды по смежным виткам, и подсоединен к внешнему термостату (типа Т 15^c, имеющего в десятки раз меньшие габариты, чем термостат Т16, используемый в ГЭТ 101-76).

Укладка змеевика 22 подтянута резьбовой днищевой крышкой. Платформа-основание 13 имеет полностью симметричную систему амортизации на 3-х регулируемых опорах.

Вся вышеописанная конструкция представляет, таким образом, собой автономный оформленный модуль - модуль давления, который подсоединяется к периферийным внешним устройствам (см. фиг.5, общий вид).

Приведем перечень периферийных устройств.

Весоизмерительное устройство (электронные весы) 23, функционирующее совместно с компьютером 24, под управлением которого находится контроллер 25, в ведении которого находятся операции переключения электромагнитных клапанов распределителя-коммутатора 26, связанного магистралями:

- с техническими средствами создания разрежения, поддержания и контроля вакуума 27;

- с техническими средствами создания, регулирования давления 28;

- со средствами кондиционирования атмосферного воздуха 29 по показателям влажности и загрязненности.

Под совместным аппаратным управлением компьютера 24 и контроллера 25 проходят режимы работы термостата 30, ВЧ генератора 31; источника э/питания 32 резистивных пленочных нагревателей 21.

Работа манометра (более точно выражаясь, манометрического комплекса) абсолютного давления фиг.5 протекает следующим образом.

Проводят подключение устройств, приборов и аппаратуры комплекса к энергопитающим цепям и проводят их регламентный прогрев.

Подготовительный этап работы включает обязательную процедуру проверки герметичности соединений и соответствие вакуумных магистралей требованиям предельно допустимых для них уровней утечек в режиме рабочего вакуума. Поэтому сначала проверяют состояние эталонного аппаратурного комплекса при отключенной линии 16, соединяющей его с поверяемыми СИ 33, а затем проводят эту же процедуру с подключенным поверяемым СИ 33 абсолютного давления.

С этой целью, при помощи э/весов 23 в режиме «тарирование» компенсируют начальный вес поршня 2 с его стержневой опорой 18. Далее, с этой же целью, каналы 14 и 15 (по программе компьютера 24 через группу электромагнитных клапанов (VE1…VE5) распределительного коммутатора 26) подключаются к вакууму, создаваемому техническими средствами 27.

Для лучшего уяснения поэтапности работы комплекса следует обратиться к рассмотрению фиг.6, где представлена более подробно схема этих пневматических соединений.

На фиг.6 представлена развернутая вакуумная система поз.27 манометра абсолютного давления фиг.5.

Механический насос 34 по сигналу управления контроллера 25 через двухходовой э/м вентиль ϑ₁ и посредством трехходовых э/м клапанов VE1…VE5, расположенных на распределителе 26, посредством задействования требуемых пневмолиний, подсоединяется к фитингам каналов 14 и 15 на основании 13. Заметим, что э/м трехходовые клапаны VE1…VE5 имеют только два возможных варианта переключения: либо (ab), либо (ас). Механический насос 34 создает предварительное разрежение 1…0,1 Па. Этот уровень форвакуума необходим для предотвращения окисления паров масла диффузионного насоса 35 и уменьшения противодавления на выходном патрубке диффузионного насоса. Паромасляный диффузионный насос 35 с маслоотражателем создает в системе высокий вакуум <10^-3 Па.

В электрическую цепь подогревателя диффузионного насоса 35 включено переменное добавочное сопротивление (реостат) R, снижающее ток накала нагревателя насоса. Это позволяет уменьшить температуру рабочего масла диффузионного насоса 35 и предотвратить его окисление и разложение масла в случае потери вакуума и проникновения в систему атмосферного воздуха. Ловушка 36 заполняется смесью дробленого «сухого льда» (твердого CO₂) и этилового спирта (охлаждающая смесь минус 72°С) или заполняется жидким азотом (минус 196°С) и служит для вымораживания паров масла и паров воды.

Предохранительный объем шара 37 служит для улавливания тумана и брызг масла, которые могут проникнуть от механического насоса 34 в высоковакуумный насос 35. Датчики вакуумметра 38 предназначены для измерения давления в системе (они всегда размещаются выше ловушки 36).

В вакуумной системе 27 не требуется остывания паромасляного насоса 35 в период отключения вакуума от канала 16 и перехода его на режим подачи в него давления от системы 28. При помощи вентилей ϑ₄ и ϑ₅ диффузионный насос 35 может быть полностью отключен от вакуумной системы. Линия байпасной откачки с вентилем ϑ₁ позволяет создавать в измерительной камере (в пространстве объема под поршнем 2) предварительное разрежение ≤1 Па без выключения подогревателя диффузионного насоса 35. После снижения давления под поршнем 2 до ~1 Па, вентиль ϑ₁ закрывается. Вентили ϑ₄ и ϑ₅ открываются, при этом объем пространства под колпаком 20 (так называемой сравнительной, вакуумной камеры манометров абсолютного давления) и под поршнем 2 (измерительной камеры) соединяется с диффузионным насосом 35. Откачка газа происходит по схеме: вакуумируемые объемы под колпаком 20 и поршнем 2 → каналы 14 и 15, э/м клапаны VE1&VE2&VE3 в положении {VE1(ab), VE2(ab), VE3(ab); VE4(ac), VE5(ab)} → вентиль ϑ₅ - ловушка 36 → диффузионный насос 35 → предохранительный шар 37 → механический насос 34. Контроль за уровнем вакуума осуществляется при помощи датчиков измерения давления PA, PT, P2.

В режиме проверки утечки вакуума, герметичности соединений (типовой режим «Leak Test» манометрических устройств) для собственного манометрического модуля (без поверяемых СИ 33) общий вид состояния трехходовых э/м клапанов распределителя 26 следующий: {VE1(ac), VE2(ac); VE3(ac); VE4(ab), VE5(ab)}. При этой конфигурации от технических средств создания вакуума 27 через каналы 14 и 15 (16-й отключен от 27) осуществляется откачка газовой среды из-под объемов колпака 20 и поршня 2 до момента достижения глубокого разрежения (~10^-3 Па). На этой стадии используется и система кратковременного (≤10 мин) нагрева до 100…150°С оболочки 20. Нагрев осуществляется либо от источника 32 (при наличии проводящего резистивного покрытия на оболочке), либо от внешнего источника ИК-излучения, когда такового покрытия на оболочке нет. Контроль достижения требуемого состояния вакуума осуществляется посредством аппаратуры измерения вакуума на вакуумных линиях с ионизационными (РА) и тепловыми датчиками (РТ) (серийные вакуумметры ВИТ-2 с датчиками ПМИ-2, ПМТ-2).

Затем, при достижении требуемого уровня вакуума вентилем ϑ₅ отключают 27 от 26 и, следовательно, от манометрического модуля абсолютного давления.

Убеждаются в сохранности показаний «нуля» ранее проведенной компенсации и включают временной отсчет учета утечки («Leak Test»), который задается программой компьютера 24. Результат тестирования оценивается по изменению показания «нуля» э/весов 23, а также с учетом зачетного времени, согласно программе компьютера 24. Он представляется в виде значения γ, $$\raisebox{1ex}{$Па$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$мин$}\right.$$ . Изменения показаний весов /«0»+γ/>Δ, где Δ - допустимое регламентируемое значение утечки, свидетельствуют о потере герметичности со стороны поршневой системы. Если показания /«0»-γ/>Δ, то потеряна герметичность в узлах уплотнения вакуумного колпака 20.

При удовлетворительных показаниях, такую же проверку проводят с подключением поверяемого СИ 33 при состояниях э/м клапанов распределителя 26 {VE1(ac); VE2(ac); VE3(ac), VE4(ac), VE5(ab)} и убеждаются, что и вакуумная система СИ имеет допустимый уровень утечки, согласно его ТО или сертификату.

Следующим этапом является переход к режиму собственно измерения (воспроизведения) абсолютного давления. Он предусматривает перевод э/весов 23 в измерение максимальной силы, в режим НПВ, путем наложения на чашку весов эталонного груза (гири) и сопровождается переключением э/м клапанов распределителя в положение: {VE1(ab), VE2(ab); VE3(ac); VE4(ac), VE5(ac)}. При этом от средств создания давления 28, через электрически регулируемый дозирующий клапан VME в змеевик, размещенный в водной среде термостата 30, а далее через клапан VE3(ac) в измерительную камеру (под поршень 2) начинает поступать газовая среда (азот, чистый воздух) под давлением P_var.

В каждый момент времени это давление интегрируется по поверхности оболочки поршня 2, так что общий результат действия силы будет:

где S_п. - рабочая площадь сечения поршня 2, измеренная по своей калиброванной цилиндрической части до начала сборочных операций изделия ОССМ.

Причем S_t=S₀(1+βΔt), где S_t и S₀ - площади сечения поршня 2 при температуре t₀=20°С и t - текущее значение температуры, Δt=t₀-t; β - коэффициент поверхностного расширения, приближенно равен удвоенному значению коэффициента линейного расширения $$\alpha ~{10}^{-7}\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$град$}\right.$$ ; β≈2α.

Сила F, воздействуя на э/весы 23, изменит изначально установленные показания НПВ на величину

НПВ-(НПВ-F)=F,

что позволяет определить значение давления в текущий момент

при известном значении местного ускорения свободного падения g, м/с².

Программа поверки (калибровки) СИ 33 включает в себя следующие операции: повышение абсолютного давления от «нулевого» до максимального уровней в пределах заданного диапазона; выдержки поверяемого СИ под абсолютным давлением в течение заданного времени; снижения абсолютного давления от максимального до нулевого.

Нормами поверки (в зависимости от класса точности поверяемого СИ) рекомендуется количество поверяемых точек шкалы в переделах заданного диапазона, в которых проводится сравнение показаний эталонного манометра абсолютного давления и поверяемого СИ. В соответствии с программой обработки результатов измерений в компьютере 24 делается вывод о соответствии СИ 33 своему классу.

Примечание. При измерениях, проводимых при комнатной температуре (20±3)°С, при исправно работающем термостате 30, при весьма скромных требованиях к термостатированию рабочей среды (t=20±0,5)°С, при наличии рабочего вакуума ~10^-4 мм рт.ст. в камере сравнения (под пространством оболочки 20) и наличии газовой среды (пониженного давления, нормализованной по температуре при прохождении через змеевик, установленный в термостате 30), в измерительном объеме (под поршнем 2), при малом значении температурного коэффициента линейного расширения материала поршня 2, изменениями рабочей площади поршня 2 можно полностью пренебречь. (Если поршень ОССМ выполнен, например, из кварцевого стекла С5-1 или оптического ситалла СО 115, CO 115М или выполнен путем намотки из ленты или пленки вакуумплотной корундовой керамики ВК 94-2, то среднее значение ТКЛР этих материалов составляет ~10^-7 1/°С в диапазоне (20…300)°С и изменениями его рабочей площади, вычисленной по его диаметру при t_ном=20°С, при изменениях температуры <0,5°С можно полностью пренебречь.) Тогда основная погрешность измерения давления будет определяться возможностью примененных (выбранных исполнителем) э/весов, показателями их НПВ, дискретности, линейности и СКО.

По завершении процесса измерения или воспроизведения абсолютного давления манометрический комплекс абсолютного давления приводится в исходное состояние. По программным командам компьютера 24 контроллер 25 отключает ϑ₁ и ϑ₅, распределитель 26 устанавливает состояние своих клапанов по схеме: {VE1(ac); VE2(ac); VE3(ac), VE4(ab); VE5(ab)}, что обеспечивает заполнение магистралей и объемов изделия нормализованным по влажности и уровню аэрозольного загрязнения воздухом от устройств 29.

Выключается нагреватель диффузионного насоса 35 через вентиль ϑ₃. Затем вакуумный насос 34 подключается к атмосферному воздуху. Весь комплекс обесточивается.

Примечание. Здесь, однако, стоит остановиться, чтобы обсудить достаточно очевидный факт. Диапазон измерения абсолютного давления и чувствительность измерения определяются двумя основными факторами: значением рабочей площади S_п. поршня 2 (выбираемой на стадии проектирования изделия) и характеристиками также выбираемых э/весов 23; показателями НПВ, дискретности, линейности и СКО.

Авторы заявки, в качестве примера, остановили свой выбор на э/весах достаточно известной фирмы «Меттлер Толедо». Так вот, задавшись радиусом поршня R₁≅256,42 мм, имеем S₁≅100 см² и в случае применения прецизионных э/весов 3-го класса точности (по ГОСТ 24.104-88) PR2003 (Delta Range) с характеристиками:

дискретность - 0,001/0001 г, НПВ - 500/2100 г, воспроизводимость (СКО) - 0,001/0,003 г; линейность ±0,002/0,005 г; среднее время стабилизации 3…6 с; при показателях температурного дрейфа чувствительности ±2,5 ppm/°C и долговременной стабильности ±0,001%, имеем:

Приняв: дискретность m=0,001 г = 10^-6 кг, НВП=М=2100 г = 2,1 кг и ускорение свободного падения g=9,8066 м/с², будем иметь

При выборе прецизионных весов (4-го класса ГОСТ 24104-88) PR 8100, имеющих характеристики:

дискретность - 0,1 г, НПВ - 8100 г, воспроизводимость (СКО) - 0,05 г;

линейность 0,1 г; среднее время стабилизации 1…2 с;

температурный дрейф чувствительности ±10 ppm/°C;

долговременная стабильность ±0,005%;

при габаритах (ш·д·в) 204×385×90 мм имеем:

Приведем еще примеры.

Прецизионные весы второго класса точности PG 503-S:

дискретность - 0,001 г, НПВ - 510 г, воспроизводимость (СКО) - 0,0008 г; линейность ±0,002 г; среднее время стабилизации 1…2 с, размеры (ш·д·в) 226×360×239 мм; имеем:

Прецизионные весы 4-го класса точности PG 5002-S (Delta Range): дискретность - 0,01/0,1 г, НПВ - 1000/5100 г; воспроизводимость (СКО) - 0,008/0,03 г; линейность ±0,02/0,03 г; среднее время стабилизации 1…2 с; размеры (ш·д·в) 226×360×95 мм;

имеем:

Примечание. Весы с поддиапазаоном Delta Range: перемещаемый по всему диапазону взвешивания поддиапазон с дискретностью, превышающей дискретность основного диапазона в 10 раз. Все прецизионные весы типа PG-S имеют стандартное оснащение, включающее:

- флюоресцентный дисплей, семь сегментов;

- аналоговый вспомогательный индикатор дозирования Delta Track: аналоговый дисплей, показывающий оставшуюся в распоряжении оператора часть диапазона взвешивания. При дозировании до номинального веса Delta Track превращается в ± дисплей:

- управляемая по температуре внутренняя калибровка FACT,

- интерфейс RS232 С (PG-S),

- устройство для взвешивания под весами,

- динамическое взвешивание с автоматическим или ручным запуском; настройка на внешние условия, настройка на тип взвешивания, тарировка во всем диапазоне взвешивания,

- блок питания PG-S 115|230 В, -20/+15%, 50/60 Гц, 14 ВА.

Оценив представленную информацию, остановим свой выбор на значении рабочей площади сечения поршня в S_п=10 см² (диаметр 35,682 мм) и на прецизионных весах 2-го класса точности PG503-S. Они имеют: дискретность 1 мг, НПВ - 510 г, воспроизводимость (СКО) - 0,0008 г, линейность 0,002 г, среднее время стабилизации 2,5 с. Это позволяет, в принципе, обеспечить измерение абсолютного давления в диапазоне от 0,01 Па до 5 кПа при СКО ~8·10^-3 Па.

Эти данные интересно сравнить с приводимыми в [5] данными эталонного комплекса абсолютного давления, в который входит лазерный интерференционный масляный манометр абсолютного давления (ЛИММ) с диапазоном 0,1…1 кПа и СКО 1,3·10^-3 Па. Такое сравнение будет проведено и представлено далее по тексту.

Следующий напрашивающийся вывод заключается в том, что при S_п=1 см² проектировать манометрический модуль абсолютного давления по схеме фиг.5 уже не имеет смысла, значительно лучше воспользоваться схемой фиг.7 (см. также [9], описание фиг.7, 8, 9).

Фиг.7. Схема общей структуры манометра абсолютного давления с поршневой парой ОССМ с магнитным поршнем в совокупности с электронными средствами силоизмерения (эл. весами). Вариант 2.

Особенностью схемы фиг.7 является инверсия материалов в поршневой паре ОССМ: цилиндр 3 выполняется из веществ диамагнитного ряда, а поршень 2 из ферромагнитного, с известным приемом ликвидации зазора 8 путем применения операции заполнения его СПМ 9 и поверхностного покрытия последнего тонким слоем галинстана 10.

Площадь рабочего сечения S_п для расчета измеряемого давления определяется по численному значению диаметра цилиндра 3, а интегрирование давления в силу F происходит по нижней поверхности виртуально подвижного поршня 2 и через тягу штока 18 передается на чашку электронных весов 23 и ими измеряется.

Другой особенностью схемы фиг.7 является принятие мер для конструктивного размещения э/схемы ВЧ генератора 31 в зоне (выделенного для этого объема) опорного основания штока 18.

Для этого цапфу штока следует конструктивно выполнить в виде штекера, обеспечивающего двухпроводное подключение с двух взаимно изолированных компактных зон подшипника опоры, к которым подводится сигнал ВЧ генератора 31. Полая структура штока 18 (тонкий полый цилиндр) используется для прокладки линии связи от ВЧ генератора 31 к катушке возбуждения магнитостриктора 12. Магнитостриктор 12 может быть выполнен на центральном участке магнитопровода 6 (в виде вставки пермендюровой трубки с обмоткой возбуждения) между сильными магнитами 4 и 5. Возможно и другое решение, заключающееся в том, что на верхнюю обкладку магнитопровода 6, изготовленного из пермендюра, плотно наклеивается пластиковый диск, содержащий однослойную спиральную электрическую обмотку, которая подключается к ВЧ генератору (способом, описанным выше).

Это позволяет создать переменное поле B_m, в целом коллинеарное полю В₀ и распространяющееся в материале пермендюра, причем B₀>>B_m, тем самым вызвать УЗ колебания за счет магнитострикции верхней обкладки 6.

Такое размещение и совмещение (узлов 18 и 31) конструктивно и технически целесообразно.

Дело в том, что для поддержания устойчивого равновесного дисперсного состояния СПМ 9 (в условиях действия массовых магнитных сил в зазоре 8) требуются весьма незначительные механические колебательные воздействия, мизерной мощности. Не более десятков-сотен мкВт колебательной электрической мощности. Так что вся высокочастотная генерация может быть выполнена на одной микросхеме с автономным электропитанием микроминиатюрным сменным аккумулятором, примером решения могут служить э/наручные часы.

Примечание. Все динамические параметры магнитострикционных материалов зависят от индукции постоянного подмагничивания В₀ или от напряженности подмагничивающего поля Н₀, причем если продольная магнитострикционная деформация насыщения $${\lambda }_s={\lambda }_{B_0\to B_s}$$ , а предельная интенсивность магнитостриктора тем больше, чем больше λ_s и M_s, то выбор для магнитостриктора 12 в качестве МСМ пермендюра 49К2Ф (50КФ) будет эффективен. Пермендюр 49К2Ф отличается большим значением λ_s и B_s и обеспечивает высокие динамические магнитострикционные параметры.

Далее, по сути дела, для устойчивого равновесного состояния СПМ необходимо, чтобы энергия теплового движения частиц диспергированного магнетика значительно превосходила энергию диполь-дипольного или ван-дер-ваальсовского взаимодействия.

В первом приближении картину этого процесса можно интерпретировать моделью газа с невзаимодействующими между собой молекулами.

Равновесное распределение концентрации частиц в газе описывается, как известно, распределением Больцмана φ=φ₀ехр(-U/kT), где U - потенциальная энергия в поле массовых сил. Частицы будут равномерно распределены в объеме коллоида, если U<<kT. При Т~300 K средняя энергия теплового движения частиц kT≅10^-21 Дж.

Под действием массовых сил должно происходить седиментационное оседание частиц в СПМ. В неоднородном магнитном поле с градиентом напряженности grad $$H=\overrightarrow{G}$$ потенциальная энергия частиц с магнитным моментом равна

где:

l - характерный размер системы (для нашего случая это глубина щели 8), $$l\cong {10}_{м}^{-2}\cong 1см$$ .

Для частиц с магнитным моментом p_m≅l0^-19 Дж/Тл при kT≅10^-21 Дж условие U<<kT выполняется при G<<kT/µ₀p_ml≈10⁶ А/м², что соответствует полю постоянных магнитов. Исходя из известного факта, что 1 Дж = 1 Вт/с, для поддержания равновесного состояния СПМ потребуется дополнительная подкачка энергии крайне малой мощности от УЗ магнитостриктора 12 и ВЧ генератора 31. Генерация УЗ частот не требует жесткой стабилизации колебаний, а выбор ультразвуковых частот достаточно широк от 40 до 400 кГц.

К особенностям схемы фиг.7, вероятно, следует отнести отсутствие проводящего покрытия оболочки 20, так как столь небольшой объем и поверхность создаваемой ею вакуумной камеры позволяют осуществить их прогрев от внешних источников излучения. При площади сечения поршня в 1 см² на радиусе R=5,64 мм, диаметр вакуумной оболочки 20 вряд ли превысит 40 мм, а ее объем V_об≤20 см³.

Так что следует иметь в виду, что речь идет о проектировании достаточно миниатюрного изделия, которое потребует соразмерности его укомплектования периферийным оборудованием, по возможности столь же небольших масс и габаритов.

Описание работы схемы фиг.7 аналогично изложенной ранее. Вероятно, что трудностей в создании быстрого и устойчивого во времени вакуума под оболочкой 20 не возникнет, как, вероятно, не будет затруднений с ее кратковременным прогревом для удаления газовых загрязнений с ее поверхности.

Если отказаться при разработке МАД от использования готовых (покупных) силоизмерительных и силокомпенсирующих устройств - электронных весов, то надо быть готовым решать проблемы разработки этих устройств.

Полезную информацию по вопросам разработки можно найти в [15, 16, 17, 18, 19, 20].

Структурная схема устройства измерения механической силы и ее уравновешивания путем силовой компенсации представлена на фиг.8.

Представленная на фиг.8 структурная схема устройства измерения силы и ее уравновешивания путем силовой компенсации состоит из: подвижной системы ПС поз.2, первичного преобразователя перемещения подвижной системы ПП поз.40, усилителя У поз.42 с большим коэффициентом прямого усиления с корректирующими R, С звеньями и детектора, обратного магнитоэлектрического преобразователя ОМЭП поз.44, цифрового измерительного преобразователя ЦП поз.45, преобразующего аналоговый эл. сигнал - в цифру N_x, т.е. АЦП.

При воздействии давления p_x на ПП ОССМ поршень 2, являющийся элементом ПС, соответственно воздействует на преобразователь перемещений ПП 40, который осуществляет преобразование линейного перемещения Δ в электрический сигнал, например напряжение U (мВ, мкВ). Напряжение U поступает на вход усилителя У 42, усиливается до необходимого значения, конвертируется в постоянный ток I (мА), который запитывает э/катушку обратного магнитоэлектрического преобразователя ОМЭП 44, и создает силу

где

В - индукция в зазоре магнита ОМЭП;

L_cp - средняя длина витка катушки;

n - число витков катушки; L_cp·n=L.

Эта сила $$\overrightarrow{F_{oc}}$$ воздействует на подвижную систему ПС 2 в направлении, противоположном действию силы давления $$\overrightarrow{F}=p_x\cdot \overrightarrow{S_{п}}=m_x\cdot \overrightarrow{g}.$$ Обратим внимание, что ток I на выходе пропорционален измеряемой силе $$I=\psi (\overrightarrow{F_q)};$$

или

где K_Δ, K_n, K₁, K_ос - коэффициенты преобразования соответственно подвижной системы ПС (смещения поршня 2 ОССМ); преобразователя перемещений ПП 40; усилителя У 42; обратного магнитоэлектрического преобразователя ОМЭП 44.

Отметим, что для уравновешивания измеряемого усилия необходимо, чтобы обратный преобразователь развивал на выходе именно силу. Можно, конечно, использовать в обратной цепи еще вспомогательные преобразователи, изменяющие естественную выходную величину обратного преобразователя. Однако увеличение числа преобразователей в обратной цепи неминуемо ведет к возрастанию ее погрешности, а, следовательно, к погрешности изделия в целом. Так что

Из (7) следует, что цифровой измерительный преобразователь (ЦП) преобразует ток в цифровой код. В принципе, если воспользоваться введением в цепь тока I высокостабильного сопротивления R₀, то будем иметь напряжение U_R, которое можно представить, как

При выполнении условия K₀·K_oc>>1, имеем

Отсюда следует, что погрешность преобразования p_x в электрический сигнал зависит от погрешности отдельных звеньев преобразования, но определяется в основном погрешностью обратного преобразования.

На фиг.9 представлена схема МАД с ПП ОССМ с первичным преобразователем перемещения и обратным магнитоэлектрическим преобразователем. Вариант 3.

Особенностью схемы фиг.9 является размещение звеньев прямого и обратного преобразования во внутренних объемах сравнительной (вакуумной) и измерительной (компрессионной) камер МАД.

Естественно, что при такой схеме конструкции МАД отпадает необходимость в наличии выхода наружу, в атмосферу, концов силопередающего штока 18. Один из которых проходил из измерительной (компрессионной) камеры наружу через ММЖУ и был необходим для связи и воздействия на грузоприемную чашку электронных весов. А другой конец, ему полностью идентичный по сечению, осуществлял столь же необходимую функцию компенсации и нивелирования действия атмосферного давления и выходил наружу через ММЖУ на куполе вакуумной оболочки 20 (так называемой камеры сравнения МАД).

Внешне схема фиг.9 выглядит достаточно просто и компактно. Но сложность положения заключается в том, что необходимо разрабатывать, проектировать и изготавливать звенья устройств прямого и обратного преобразования силы давления.

Эти звенья очень обстоятельно, тщательно, надежно, с минимальными погрешностями решены и выполнены во всех весоизмерительных электронных устройствах известных фирм «Меттлер Толедо», «Сорториус», «Чио-Баланс» и т.д.

Приняв на себя задачи проектирования и изготовления МАД по фиг.9, разработчик должен быть готов встретиться с техническими задачами и проблемами очень высокого уровня, связанными с требованиями обеспечения, в конечном счете, качества изделия.

Преобразователи перемещения и ОМЭП, предназначенные для работы в силоизмерительных и силокомпенсирующих устройствах, должны отвечать следующим требованиям: обладать высокой чувствительностью, линейностью статической характеристики, высокой разрешающей способностью, стабильностью коэффициента преобразования, широким диапазоном измеряемых перемещений, достаточной помехозащищенностью, иметь значительную выходную мощность и возможность регулировки магнитоэлектрической силы, действующей на подвижный элемент. Наконец, конструкции ПП и ОМЭП должны быть технологичными, а габариты обеспечивать удобство размещения их во внутренних объемах сравнительной и измерительной камер МАД.

Однако вернемся к рассмотрению фиг.9 и обратим внимание на то, что в конструкцию поршня 2 введен узел дифференциального емкостного преобразователя линейного перемещения (поз.40).

Конструктивное исполнение дифференциального емкостного преобразователя может быть различным, но в любом случае значение емкости его изменяется от изменения 5 (мкм) зазора.

Центральная обкладка перемещается параллельно самой себе под действием измеряемой силы F_g. Верхняя и нижняя обкладки неподвижны. Емкость между нижней и подвижной обкладками конденсатора увеличивается, а между верхней и подвижной - уменьшается.

Для повышения точности и чувствительности дифференциального емкостного преобразователя его емкости включаются в соседние плечи измерительного моста.

При этом к измерительной цели предъявляются следующие требования:

- большое сопротивление в выходной диагонали моста;

- тщательное экранирование всех подводящих проводов во избежание наводок;

- отсутствие элементов, шунтирующих рабочие емкости.

Особое внимание следует уделить тщательному экранированию соединительной линии между подвижной обкладкой и входом на высокоомный вход первого каскада усиления. При правильном включении, емкость кабеля снижается в десятки раз, и, следовательно, можно будет работать в режиме, близком к режиму холостого хода.

С повышением частоты питания сопротивление емкостных преобразователей $$X_C=\frac{1}{\omega c}$$ падает, значит, облегчаются требования к измерительной цепи, поэтому частоту напряжения питания не следует выбирать ниже 1000 Гц.

Выходное напряжение моста, в который включен емкостной дифференциальный преобразователь, определяется формулой [21]

где

$${\epsilon }_{\delta }=\frac{\Delta \delta }{{\delta }_o}$$ - относительное значение изменения зазора;

Z_yc - входное сопротивление усилителя, включенного в диагональ моста;

R - сопротивление каждого из нерабочих плеч моста;

С₀ - начальная емкость преобразователя.

В связи с тем что в емкостных мостах R обычно много меньше сопротивлений Х_с, можно рассчитывать выходное сопротивление моста по следующей упрощенной формуле:

где $$a=\frac{z_{yc}}{z_m}$$ - отношение входного сопротивления усилителя к выходному сопротивлению моста.

Таким образом, нелинейность характеристики емкостного дифференциального преобразователя U_вых=f(Δδ) определяется отношением выходного сопротивления моста к входному сопротивлению усилителя.

При конструировании емкостного преобразователя следует помнить об изоляционных свойствах материалов и о том, что наиболее стабильным изолятором является вакуумный промежуток. Материалы для пластин нужно подбирать с соответствующими коэффициентами линейного расширения. Со своей стороны, мы можем рекомендовать использование корундовой вакуумплотной керамики ВК94-1, ВК94-2, ВК95-1. Но отметим, что дифференциальные преобразователи перемещения имеют относительно малые температурные погрешности. Габаритные размеры емкостных преобразователей обычно определяются конструктивными соображениями. Однако следует всячески стремиться к увеличению емкости преобразователя, так как это уменьшит его выходное сопротивление и облегчит требования, предъявляемые к измерительной цепи и изоляции преобразователя.

Начальный зазор между пластинами рекомендуется устанавливать не более 0,5 мм. Емкостные преобразователи с переменным зазором наиболее рациональны для измерения малых перемещений, не превышающих 0,2…0,4 мм. Емкостные преобразователи для измерения малых перемещений отличаются высокой чувствительностью (до 500 В/мм), линейностью, малыми погрешностями и одновременно простотой конструкции и легкостью подвижной части, что во многих случаях делает их незаменимыми.

Поэтому линейное перемещение поршня 2 на фиг.9 под действием силы давления $${\overrightarrow{F}}_g=p_x\cdot S_{п}=m_x\cdot g$$ будет преобразовано электрической схемой поз.34 в ток обратной связи I_o.c.

Электронная схема 39 (см. выноску на фиг.9) включает в себя емкостный дифференциальный преобразователь перемещений 40 (на фиг.8 это поз.ПП) с генератором 41 (на фиг.8 это поз.Г), усилитель 42 с фазочувствительным выпрямителем 43 (на фиг.8 это поз.У).

Создаваемая магнитоэлектрическим преобразователем 44 (на фиг.8 это поз. ОМЭП) сила $$\overrightarrow{F_{oc}}=B\cdot n{L}_{cp}\cdot I_{oc}=B\cdot L\cdot I_{oc}$$ противоположна по направлению силе F_g=р_х·S_п=m_x·g и однородна по величине и размерности, [Н]. Из равенства сил $$\left|{\overrightarrow{F}}_g\right|\cong \left|{\overrightarrow{F}}_{oc}\right|$$ , следует

То есть текущее значение тока несет в себе информацию о текущем значении давления p_x (или об эквивалентной массе m_x), а точность измерения определяется, в основном, величинами S_п, g и ВL, или

Выражение (15) является идеализированным, точное выражение имеет вид

где

η - жесткость токоподводов к катушке ОМЭП 44;

R_k - сопротивление цепи катушки ОМЭП;

K_y и K_п - коэффициент преобразования усилителя 42 и емкостного дифференциального преобразователя перемещения 40.

Выражение (16) иллюстрирует уже ранее упомянутое свойство устройств уравновешивающего преобразования: требования высокой точности предъявляются, в основном, лишь к звену, создающему уравновешивающую величину.

Действительно, при достаточно больших значениях коэффициента усиления K_y имеем $$BL>>\frac{\eta \cdot R_k}{{К}_{п}\cdot {К}_{у}}$$ , и для оценки точности устройства может быть использовано выражение (15), показывающее, что высокие требования предъявляются лишь к обратному магнитоэлектрическому преобразователю 44.

Поэтому выбору обратного преобразователя, его конструкции, расчету и анализу погрешности должно уделяться большое внимание при разработке МАД по фиг.9.

Магнитоэлектрические обратные преобразователи имеют линейную зависимость силы от тока, минимальные погрешности по сравнению с другими типами преобразователей (γ~0,01…0,005%) и при массе порядка 0,5 кг создают электромагнитную силу до 2 Н при весьма незначительном перегреве катушки (до 5°С).

Во всем остальном работа схемы фиг.9 подобна работе ранее рассмотренных схем МАД фиг.5, фиг.6, фиг.7.

Создание высокого и устойчивого во времени вакуума под оболочкой 20, требует тех же (ранее описанных) мероприятий: защиты СПМ 9 от испарения в вакууме слоем галинстана 10, а также предварительного кратковременного прогрева оболочки 20 с целью глубокой десорбции летучих загрязнений и их удаления из объема камеры сравнения.

Также требуется защита коллоида СПМ от возможной потери устойчивого дисперсного состояния путем подпитки его жидкой основы энергией УЗ колебаний, создаваемых в материале ОССМ посредством возбуждения магнитострикции.

Наконец, вероятно, будет интересно и полезно провести сопоставление характеристик и параметров, предложенных здесь МАД с ПП ОССМ с их прототипом ГЭТ 010-76, а также с парой усовершенствованных эталонных комплексов ЛИММ и ЛИРМ на основе лазерного интерференционного масляного манометра и, соответственно, на основе лазерного интерференционного ртутного манометра согласно ГЭТ 101-2011.

Замечание (*). По работе ЛИММ и ЛИРМ имеются вопросы, требующие серьезных разъяснений.

Из статьи [5] известно, что манометры ЛИММ и ЛИРМ термостатируются путем помещения их «U»-образных корпусов в водяные ванны, где их корпуса окружают змеевики, подсоединенные к внешним активным термостатам. Причем при работе одно колено (сравнения) постоянно находится в режиме вакуумной откачки, в то время как другое колено изолируется от вакуума и в него поступает давление, подлежащее измерению.

В вакуумном колене идет интенсивное испарение жидкой рабочей среды (будь то масло или ртуть), процесс испарения идет с затратой энергии, она восполняется притоком тепла от среды термостатирования.

При этом идут процессы термодинамически неравновесные, необратимые. Например, из поверхности жидкого масла сперва улетучиваются фракции, имеющие малую упругость своих паров (легкоиспаряемые компоненты с концентрацией c_i). Масло охлаждается, изменяется его плотность, вязкость, свойства смачиваемости (адгезии), идет изменение его первоначального состава.

Возникают параметрические градиенты концентрации, вязкости, температуры, плотности и т.д.

Например, при наложении процессов диффузии и теплопроводности происходит термодиффузия с плотностью потока вещества, описываемого формулой j_i=D_i·grad·c_i-λ·grad·T.

Происходит изменение энтропии системы, поскольку водная среда термостатирования чуть выше по температуре, чем испаряемая в вакуумном колене жидкость. Термостатированная среда с температурой Т+ΔТ отдает, а испаряющая среда (масло, ртуть) с температурой Т поглощает теплоту Q, так как постоянно идет процесс интенсивного испарения в вакууме:

При небольших значениях ΔT, когда возмущение системы сравнительно невелико, $$\Delta S=-\frac{Q\Delta T}{T^2}$$ . Скорость изменения энтропии в объеме V (верхней зоны испарения колена «U» манометра) при заданных значениях T и ΔT и при V=Ω_пов·Δx

а скорость изменения энтропии

Принимая во внимание, что $$\frac{1}{{\Omega }_n}\cdot \frac{dQ}{d\tau }=j_Q$$ плотность теплового потока, a $$\lim \frac{\Delta T}{\Delta x}=\frac{dT}{dx}$$ , получим $$w=-\frac{j_Q}{T^2}\cdot \frac{dT}{dx}$$ , тогда скорость измерения связанной энергии $$T\cdot w=\frac{j_Q}{T}\cdot \frac{dT}{dX}$$ , или введя понятие «тепловой силы» χ_T, вызывающей выравнивание температуры термодинамической системы:

$${\chi }_T=-\frac{1}{T}\cdot \frac{dT}{dx}=-\frac{1}{T}gradT(20)$$ и T·w=j_Q·χ_T. Таким образом, во время измерения давления неумолимо идет термодинамически необратимый процесс.

Необратимый термодинамический процесс переноса энтропии, энергии, вещества и его свойств описывается уравнениями Онсагера.

Как известно, необратимые процессы характеризуют движение термодинамической системы к равновесию, которое достигается уменьшением свободной энергии системы за счет возрастания энтропии.

Изменение энтропии является мерой внутреннего беспорядка в системе. С увеличением степени беспорядка увеличивается степень изменения энтропии системы. Напомним, что при превращении жидкости в пар (испарение) энтропия системы изменяется почти в десять раз больше, чем при явлениях плавления.

Мы уже не будем затрагивать вопросы пленочных течений масла в вакуумном колене при сбросе или понижении давления. Хотя интересно знать, за какое время стекает пленка масла, когда его вязкость то и дело меняется? Мы просто не понимаем появление оценок СКО и НСП, полученных в измерениях, которые проводятся при протекании необратимых, неравновесных термодинамических процессов.

Замечание (**). Теоретическая скорость испарения жидкости и абсолютном вакууме выражается формулой [21].

где

р - давление насыщенного пара в мм рт.ст. при температуре Т, (p_Hg=122,010^-5 мм рт.ст. при T=293K),

М - молекулярная масса (M_Hg=200,6 г ·моль),

Т - абсолютная температура в K (T=273+20°)=293 K;

При площади сечения вакуумного колена "U"-образного манометра порядка 10 см² и при среднем рабочем времени эксплуатации эталона порядка 5 часов в атмосферу будет выброшено порядка 120 г паров ртути. При установленной норме ПДК=0,01 мг/м³ будет загрязнено 1,2·10⁸ м³ воздуха.

Пары ртути ядовиты, и при работе с ртутью необходима полная герметизация аппаратуры. Все органические соединения ртути высокотоксичны. Из них особенно опасна метилортуть, которая накапливается в организмах людей и животных.

В свете замечаний (*) и (**) предпочтения следует отдать построениям МАД с ПП ОССМ: в них нет вредных веществ; работа системы протекает при наличии термодинамического равновесия.

Принципиально и приоритетно должны продвигаться и приветствоваться новые разработки, которые наиболее полно соответствуют важнейшей социальной функции - охране труда и охране окружающей среды.

Подведем итоги сказанного.

Предлагаемые авторами структурно-технические приемы построения МАД с ПП ОССМ позволяют иметь диапазоны воспроизведения и измерения абсолютного давления, существенно расширенные в области малых давлений от 0,1…0,01 Па и с верхней границей ≥10⁵ Па, при ожидаемой основной приведенной погрешности измерения 10^-4…10^-5.

Позволяют в период подготовки комплекса МАД к измерениям за короткое время получить высокий вакуум в его камере сравнения, и сохранить его устойчиво стабильным на все время проведения измерений. Это обеспечивает и гарантирует высокую точность и воспроизводимость измерений абсолютных давлений.

Введенные в состав комплекса МАД с ПП ОССМ э/весы и ПК позволяют использовать программное обеспечение (ПО) и компьютерные технологии в части организации, управления и сбора данных и обработки, делая работу оператора комплекса МАД с ПП ОСММ простой и удобной. Это позволяет быстро выбирать различные процедуры обработки и оценки результатов измерений и распечатывать необходимую информацию в удобном для себя виде.

Обеспечивается высокая производительность поверочно-калибровочных работ при экономии рабочего пространства. Встроенные функции ПО позволяют обеспечивать постоянный контроль точности измерений и своевременную калибровку измерительного блока, причем данные каждой калибровки хранятся в интегрированной базе данных и могут быть востребованы. Гарантируется четкое протоколирование измерений (калибровка, воспроизведение с автоматическим распознаванием стабильного состояния воспроизводимой точки давления), хранение, архивирование (с возможностью восстановления методов, устанавливаемых параметров и результатов измерения).

Причем все это сопровождается гарантированным снижением массы, габаритов и энергопотребления манометрического комплекса, и весьма существенно - не менее чем в сотни раз по сравнению с прототипом, при общем повышении его помехозащищенности и надежности. Обеспечивается мобильность и транспортабельность изделия, уменьшается время его развертывания и ввода в режим эксплуатации.

Литература

1. Вакуумная техника. Термины и определения. ГОСТ 5197-85.

2. Гарант, информационно-правовой портал;

http:www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/70043626.

3. Calibration and Measurement Capabilities. Mass and related quantities [Электрон. Данные]. // Официальный сайт МБМА. - Режим доступа: http://kcdb.bipm.org/appendixC, свободный.

4. Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений; http://www.fundmetrology.ru/old/08gosetalon/disp.

5. И.В. Садковская, В.А Цвелик, В.П. Ковальков, А.И. Эйхвальд. Новый Государственный первичный эталон единицы давления. // Мир измерений, 2(132), 2012.

6. Государственный специальный эталон единицы абсолютного давления. ГЭТ 101-76. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Х∂ 1.456.256 ТО, НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», 1987 г., г. Ленинград.

7. Полухин Г.И., Цвелик В.А. Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений абсолютного давления в диапазоне 2,7·10²…4000·10² Па // Измерительная техника, 1977, №6. С.5-6.

8. Российская Метрологическая Энциклопедия, главн. ред. Ю.В. Тарбеев, Санкт-Петербург, 2001 г., изд. «Лики России».

9. Патент на изобретение №2489692. Манометрический способ измерения и воспроизведения малых давлений поршневой парой, образованной структурно-сопряженными магнетиками (варианты); RU 2489692 C1.

10. Еремин Н.И. Галлий. М. 1964.

11. Rosensweig R.E. Material separation using ferromagnetic liquid techniques. // US Pat 3483969, Jnt CL² B03C ¹/00, В03В 13/04, 1969.

12. Кравченко Н.Д. и др. Магнитогидростатический сепаратор. // А.с. 1159640, МКИ³ В03 1/02. Бюлл. изобрет. №21, 1985.

13. К. Дж. Смитлз. Металлы. Справочн. изд. Пер. с англ. 1980, 447. Из-во «Металлургия».

14. Материалы в приборостроении и автоматике. Справочник. / Под ред. Ю.М. Пятина. М.: Машиностроение, 1982, 528 л.

15. Лиманов И.А. Электромагнитные преобразователи перемещений с распределенными параметрами. М.: Энергоиздат, 1984.

16. А.с. 1040342 СССР. Трансформаторный датчик для весов с электромагнитным уравновешиванием. / Л.В. Лебедева. A.M. Синяков и др. Открытия, изобретения, 1983. №33.

17. А.И. Синяков. Электромагнитные преобразователи перемещения с улучшенными метрологическими характеристиками. // Современные проблемы совершенствования средств измерения механических величин. Сборник научных трудов НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», 1986, с.39-44.

18. Феоктистов В.Г. Лабораторные весы. М.: Изд-во стандартов, 1979.

19. Новые электронные лабораторные весы. // Экспресс-информация. М., ЦНИИТЭИ приборостроения, вып.7, 1982.

20. Современное состояние и перспективы развития лабораторных весов. // Обзорная информация. Вып.6, 1987.

21. A.M. Туричин. Электрические измерения неэлектрических величин. М.-Л. изд-во “Энергия”, 1966 г. 680 стр. с рис.

22. Шумский К.П. Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения. М.: «Машиностроение». 1974, 576 с.

Изобретение относится к области измерения давления. Сущность изобретения заключается в том, что манометр абсолютного давления содержит электронные силоизмерительные и силокомпенсирующие устройства, поршневую пару, образованную структурно-сопряженными магнетиками, разъединяющую объемы вакуумной (сравнительной) камеры от объема измерительной камеры, пневмолинии которых могут селективно подключаться к пневмомагистралям технических средств создания вакуума, давления или нормализованного воздуха атмосферы путем программного переключения э/м клапанов распределительного коммутатора, при этом супермагнетик («магнитная жидкость) в ССМ покрыт тонким слоем галинстана - жидкого металлического сплава галлия, индия и олова, магнитопровод ССМ выполнен из магнитострикционного материала (МСМ) или, если он таковым не являлся, дополнен включением МСМ в его структуру, используется как ультразвуковой магнитостриктор путем размещения на нем катушки возбуждения, соединенной с ВЧ генератором гармонических колебаний, оболочка вакуумной камеры, при большом объеме, покрыта с внешней стороны резистивной проводящей пленкой, кратковременно подключаемой в режиме создания в ней вакуума к источнику электропитания; при малых объемах оболочки она подвергается кратковременному прогреву внешними источниками интенсивного оптического излучения. Технический результат - расширение диапазона измерения в области высокого вакуума и повышение точности измерений. 9 ил., 6 табл.

Манометр абсолютного давления, содержащий электронные силоизмерительные и силокомпенсирующие устройства, поршневую пару, образованную структурно-сопряженными магнетиками, разъединяющую объемы вакуумной (сравнительной) камеры от объема измерительной камеры, пневмолинии которых могут селективно подключаться к пневмомагистралям технических средств создания вакуума, давления или нормализованного воздуха атмосферы путем программного переключения э/м клапанов распределительного коммутатора, отличающийся тем, что:
- супермагнетик («магнитная жидкость) в ССМ покрыт тонким слоем галинстана - жидкого металлического сплава галлия, индия и олова,
- магнитопровод ССМ выполнен из магнитострикционного материала (МСМ) или, если он таковым не являлся, дополнен включением МСМ в его структуру, используется как ультразвуковой магнитостриктор путем размещения на нем катушки возбуждения, соединенной с ВЧ генератором гармонических колебаний,
- оболочка вакуумной камеры, при большом объеме, покрыта с внешней стороны резистивной проводящей пленкой, кратковременно подключаемой в режиме создания в ней вакуума к источнику электропитания; при малых объемах оболочки она подвергается кратковременному прогреву внешними источниками интенсивного оптического излучения.