Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

эталоннойбазывобластиизмерениядавления. Наоснове новойтеорииприборовснеуплотненнымпоршнем, разработаннойизвестнымученымМ.К. Жоховским, в1954 г. воВНИИМим. Д.И. Менделеевабыливыполненыработыпосозданиюгосударственногопервичногоэталонаизбыточного давления под руководством Е.Ф. Долинского (1898–1981) иП.В. Индрика. Этотэталонбылгрупповым

исостоялизпятигрузопоршневыхманометровсверхним пределомизмерения60 кгс/см2 спогрешностьювоспроизведения единицы давления 0,0006%.

Вобласти разности давлений 1 Па–10 кПа в 1950– 1960-х гг. Л.П. Степановым и А.А. Часовниковым были разработаныэталонныеколокольныеигрузопоршневые микроманометры, а также микроманометры со штриховой мерой.

В60–70-х гг. специалистами ВНИИМС во главе с С.М. Кессельман были разработаны уникальные задатчики давления типа «Воздух».

Вэти же годы проводились научные исследования абсолютных методов воспроизведения единицы давления в области низких давлений от 10-1 Па, и были созданы ряд конструкций эталонных компрессионных

имембрано-емкостныхвакуумметровподруководством М.А. Гуляева, В.А. Рыжова и А.В. Ерюхина.

Всередине70-хгг. внародномхозяйствеРоссиипроизошли значительные экономические преобразования, которые поставили перед наукой качественно новые метрологическиетребованиякотечественнойэталонной базе. Творческимколлективомлабораториидавленияпод руководством Г.И. Полухина совместно с сотрудниками лабораторий массы и линейных измерений были проведены научно-исследовательские работы по созданию нового государственного первичного эталона единицы давления с диапазоном измерений (0,05–10) МПа и погрешностями СКО– 3·10-6, НСП– 2·10-5. Измерительные поршневые системы эталона впервые были изготовлены изтвердыхсплавов. В1979 г. ГПЭединицыдавлениядля области избыточного давления (ГЭТ 23-79) был утвержден в установленном порядке. В этот же период были созданыгосударственныеспециальныеэталоныединицы давления: в области разности давлений с диапазоном из- мерений(0,1–4·104) Па– ГЭТ95-75; вобластиабсолютных давленийвдиапазонахизмерений(10-3–103) Паи(2,7·102– 1,3·105) Па ГЭТ 49-80 и ГЭТ 101-76 соответственно.

Отечественныйпарксредствизмеренийдавленияисчислялсясотнямимиллионовэкземпляровипополнялся более современными манометрами с более высокими метрологическимихарактеристиками. Поэтомуустановки государственных и вторичных эталонов постоянно совершенствуются, создаются и исследуются новые уникальные эталонные установки, в частности:

– в последние годы завершены работы по совершенствованию эталонов ГЭТ 23-79 и ГЭТ 101-76. В результатеэтойработыутвержденыновыеэталоныГЭТ

23-2010 и ГЭТ 101-2011;

– в области избыточных и дифференциальных давлений созданы эталоны сравнения для международных сличений, автоматизированные рабочие эталоны в диапазоне измерений (2,5–60) МПа, эталонные микроманометры типа МКШ-М, вторичный эталон для поверки дифманометров при опорных давлениях до 10 МПа;

– вобластиизмерениянизкогоабсолютногодавления усовершенствованы эталонные редукционные установки с диапазоном измерений (10-8–10-1) Па и системы метрологического обеспечения молекулярных потоков в вакууме и контроля герметичности.

Отдел систематически участвует в международных сличениях национальных эталонов единицы давления в рамках проектов КООМЕТ, ЕВРАМЕТ и ССМ.

Во ВНИИФТРИ проведены работы по совершенствованию эталона ГЭТ 43-73 с диапазоном измерений (250–1500) МПа. В2014 г. утвержденновыйэталонГЭТ 43-2013 с диапазоном измерений (10–1600) МПа.

Указанные эталоны составляют современную эталонную базу России в области измерений давления и являются уникальным национальным достоянием отечественного научно-технического прогресса.

Основные понятия, термины и определения, единицы давления

Давление – физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого. Если силы распределены вдоль поверхности равномерно, то давление (p) на любую по-

верхность равно: p = FS ,

где F – сумма нормальных сил, действующих на поверхность; S – площадь этой поверхности.

Принеравномерномраспределениисилэторавенство определяет среднее давление на данную поверхность, а

впределе, пристремлениивеличиныS кнулю, давление

вданной точке. В случае равномерного распределения сил давление во всех точках поверхности одинаково, а

вслучае неравномерного – изменяется от точки к точке. Для непрерывной среды аналогично вводится поня-

тие давления в каждой точке среды, играющее важную роль в механике жидкостей и газов. Давление в любой точке покоящейся жидкости по всем направлениям одинаково; этосправедливоидлядвижущейсяжидкостиили газа, если их можно считать идеальными (лишенными трения). Ввязкойжидкостиподдавлениемвданнойточке понимают среднее значение давления по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

Давлениевгазовойсредесвязаноспередачейимпульсапристолкновенияхнаходящихсявтепловомдвижении молекул газа друг с другом или с поверхностью граничащих с газом тел. Давление в газах (его можно назвать тепловым) пропорционально температуре (кинематической энергии частиц). В отличие от газов, где средние расстояниямеждухаотическидвижущимисячастицами многобольшесамихчастиц, вконденсированныхсредах (жидкостяхитвердыхтелах) расстояниемеждуатомами сравнимы с их размерами и определяются равновесием межатомных (межмолекулярных) сил отталкивания и притяжения. Присближенииатомовсилыотталкивания возрастают и обусловливают т.н. холодное давление. В конденсированных средах давление имеет также и «тепловую» составляющую, связанную с тепловыми

колебаниямиатомов(ядер). Прификсированномиуменьшающемсяобъемеконденсированнойсреды«тепловое» давление увеличивается с ростом температуры. При температурах ≥104 К заметное значение в «тепловом» давлении приобретает тепловое движение электронов.

Понятие давления как физической величины во всех его проявлениях едино. Вместе с тем во многих естественных природных явлениях, а также в различных технических устройствах и процессах определяющим является не само давление, а его значение относительно другого. Особенно актуально это для изучения физических процессов в жидкостях и газах.

При сравнении значений двух давлений одно из них принимается за начало отсчета их разности. По этому признаку различают следующие виды давлений.

Абсолютноедавление– давление, значениекоторого приизмеренииотсчитываетсяотдавления, равногонулю. Абсолютное давление воздушной оболочки Земли на ее поверхность называется атмосферным давлением.

Давление, равное нулю, характеризует состояние вещества, обусловленное различными физическими причинами, прикоторомвнемотсутствуютнапряжения сжатия.

Давление газа равно нулю, если его концентрация настолько мала, что молекулы газа практически не взаимодействуют друг с другом, или если равна нулю абсолютная температура газа. В естественных условиях указанноесостояние– сверхглубокийвакуум– наблюдаетсявотдаленныхобластяхкосмическогопространства.

Равенство нулю давления жидкости имеет место, еслиотсутствуютдействующиенанеевнешниесилы. В нормальныхземныхусловияхдавлениежидкостиможет быть равно нулю только в ее верхнем поверхностном слое.

Во всех других случаях измеряемое давление сравниваетсясдавлением, значениекоторогонеравнонулю. Данныевидыдавления, вотличиеотабсолютногодавления, являютсяотносительными. Здесьследуетвыделить

разность давлений и избыточное давление.

Разность давлений – разность двух произвольных давлений, значениеодногоизкоторыхпринятозаначало отсчета. Вэтомслучаеосновноезначениеимеетразность давлений, а не абсолютные значения каждого из них.

Избыточное давление – разность давлений, одно из которых, принятое за начало отсчета, является абсолютнымдавлением окружающей среды. Вбольшинстве случаев абсолютное давление окружающей среды – это атмосферное давление в месте измерений.

Для газовых смесей применяется специальный термин – парциальное давление – абсолютное давление одногоизкомпонентовгазовойсмеси. Подэтимпонимается абсолютное давление данного компонента при условии, что он займет весь объем, в котором находится газовая смесь. Сумма парциальных давлений всех компонентов равна абсолютному давлению смеси газов.

Вакуум – состояние среды, абсолютное давление которой существенно меньше атмосферного давления.

Сучетом специфики каждого извидовдавления при измерениях применяются специальные средства измерений – манометры и измерительные преобразователи давления.

Манометр – измерительный прибор или измерительнаяустановкадляизмерениядавленияилиразности давлений с непосредственным отсчетом их значения.

Измерительный преобразователь давления (дат-

чик) – первичныйизмерительныйпреобразователь, воспринимающий непосредственно измеряемое давление

ипреобразующий его в другую физическую величину.

Всоответствиисвидамиизмеряемогодавленияприменяют следующие виды средств измерения давления:

–манометр абсолютного давления – манометр для измерения абсолютного давления, отсчитываемого от абсолютного нуля;

–барометр – манометр абсолютного давления для измерения давления околоземной атмосферы;

–манометр избыточного давления – манометр для измерения разности между абсолютным давлением, большим абсолютного давления окружающей среды, и абсолютным давлением окружающей среды;

–вакуумметр – манометр для измерения давления разреженного газа;

–мановакуумметр – манометр для измерения избыточного давления и давления разреженного газа;

–дифференциальный манометр – манометр для измерения разности двух давлений, каждое из которых отличается от атмосферного давления;

–микроманометр – дифференциальный манометр для измерения малых разностей двух давлений, каждое из которых существенно больше их разности.

Единицей давления называют такое давление, при котором на принятую единицу площади действует сила, равная принятой единице силы. В Международной системе единиц СИ единицей давления является паскаль, представляющий собой давление, при котором на 1 м2 площади действует сила, равная 1 Н.

РазмерединицыдавленияПаоченьмал, егозначение соответствует давлению столба воды высотой 0,1 мм. Поэтому на практике применяются единицы давления, кратные 1 Па, которые образуются добавлением к наименованию паскаль приставок, узаконенных СИ: килопаскаль (кПа), мегапаскаль (МПа) и гигапаскаль (ГПа). Втехническиобоснованныхслучаяхдопускаетсятакже применениедругихкратныхединиц, которыеобразованы добавлением приставок предусмотренных СИ: декапаскаль (даПа) и гектопаскаль (гПа).

Наряду с единицами давления СИ во многих отраслях народного хозяйства нашей страны, а также в зарубежных странах в настоящее время применяются единицы давления, которые должны быть изъяты по мере перехода на СИ.

Наиболее близка к СИ единица давления бар (бар), размер которой очень удобен для практики. В области измерения малых и средних давлений широкое распро- странениеполучилиединицыдавлениякилограмм-сила наквадратныйсантиметр(кгс/см2) икилограмм-силана квадратный метр (кгс/м2).

Всоответствии с историческим развитием техники измерения давлений, в основе которой лежал принцип измерения при помощи столба жидкости (барометрический принцип), в применяемых до настоящего времени жидкостных манометрах мерой измеряемого давления являетсявысотастолбажидкости. Поэтомуестественно

применение единиц давления, определяемых высотой столба жидкости, т.е. основанных на единицах длины. В странах с метрическими системами мер получили распространение единицы давления миллиметр и метр водяного столба (мм вод.ст. и м вод.ст.) и миллиметр ртутного столба (мм рт.ст.), а в странах с дюймовыми системами – дюйм и фут водяного столба (in Н2О и ft Н2О), дюйм ртутного столба (in Нg).

Применяемая в странах Западной Европы единица давления торр практически равна мм рт.ст. В англоязычных странах широко распространена также единица давления фунт-сила на квадратный дюйм (psi).

Соотношениенекоторыхизнаиболеераспространенных единиц давления приведены в таблице 1.

Информация о точных методах и средствах измерений давления, принципы действия и классификация

Чрезвычайноширокийдиапазондавлений, определяемых для научных и прикладных целях практически во всехотрасляхнародногохозяйства, атакжеразнообразие требованийктехникеегоизмеренийспособствовалипоявлению, разработкеивнедрениювпрактикумножества различных методов и средств измерений давления.

Давление, исходя из самых общих позиций, может бытьопределенокакпутемегонепосредственногоизме-

рения, так ипосредством измерения другой физической величины, функционально связанной с измеряемым давлением.

В первом случае измеряемое давление воздействует непосредственно на чувствительный элемент прибора, который передает информацию о значении давления последующимзвеньямизмерительнойцепи, преобразующим ее в требуемую форму. Этот метод определения давления является методом прямых измерений и получил наибольшее распространение в технике измерения давления. На нем основаны принципы действия большинстваманометровиизмерительныхпреобразователей давления.

Во втором случае непосредственно измеряются другие физические величины или параметры, характеризующиефизическиесвойстваизмеряемойсреды, значения которыхзакономерносвязанысдавлением(температура кипенияжидкости, скоростьраспространенияультразвука, теплопроводность газа и т. д.). Этот метод является методомкосвенныхизмеренийдавленияиприменяется, как правило, в тех случаях, когда прямой метод по тем илиинымпричинамнеприменим, например, приизмерениисверхнизкогодавления(вакуумнаятехника) илипри измерении высоких и сверхвысоких давлений.

Методологическиваженвопросиоспособе, которым средство измерений воспроизводит единицу давления, что определяет его функциональные возможности. Давление является производной величиной, определяемой

Таблица 1

ванные на этих принципах, не требуют калибровки по эталонным измерителямдавления, так как их показания могут быть определены путем измерения линейного размера и массы. При измерении высоких давлений в качествеэталонныхмермогутбытьиспользованытакже точки затвердевания или фазового перехода различных веществ.

Кроме двух названных прямых методов измерения давления, существуетбольшоечислокосвенныхметодов, основанных на измерении физических величин (температуре, объеме), значения которых связаны с давлением известными физическими закономерностями, или на изменении физических свойств измеряемой среды под действием давления (теплопроводности, вязкости, электропроводности и пр.). Косвенные методы, как правило, находятприменениевтехслучаях, когдапрямыеметоды измерениядавлениятрудноосуществимы, например, при измерении весьма малых давлений (вакуумные измерения) или при измерениях сверхвысоких давлений. Например, в области измерения взрывных давлений мерой достигнутого максимального давления может служить пластическая деформация чувствительного элемента, а такжеэлектрические, оптическиеихимическиеявления, возникающие при определенных давлениях.

Наибольшее распространение среди манометрических приборов, основанных на косвенных методах измерений, получили деформационные манометры –

манометры, в которых измеряемое давление, действующее на упругую оболочку чувствительного элемента, уравновешивается напряжениями, возникающими в материале упругой оболочки. Таким образом, упругий чувствительный элемент (УЧЭ) преобразует давление, являющееся входной величиной, в выходную величину, несущую измерительную информацию о значении давления. Для УЧЭ естественно выбрать в качестве выходной величины в зависимости от принципа действия деформационного манометра: перемещение заданной точки УЧЭ; напряжение в материале заданной точки и усилие, развиваемое УЧЭ под действием давления. Выбор того или иного выходного сигнала УЧЭ определяет способыегодальнейшегопреобразованиядляполучения результатов измерения давления, а, следовательно, и принцип действия деформационного манометра (метод прямогопреобразованияилиуравновешивающегопреобразования). Вдеформационныхманометрах, основанных на непосредственном преобразовании в информацию об измеряемом давлении напряжений (метод прямого преобразования) в качестве УЧЭ могут быть использованы мембраны, мембранныекоробки, сильфоныитрубчатые пружины. Этот же метод преобразования используется и при применении резистивных деформационных манометрах, основанных на принципе тензоэффекта. Метод уравновешивающего преобразования давления менее распространен в технике давления, он используется при применении манометров с силовым уравновешиванием (пневматическойилиэлектромагнитнойсиловойкомпенсацией). Пределы измерений деформационных манометровохватываютширокийдиапазондавлений– от10 Па до 1000 МПа. Эти манометры просты в эксплуатации и компактны, ихконструкцияотвечаеттребованияммассового производства, они могут применяться в различных

условиях эксплуатации. Благодаря этому деформационныеприборынашлинаибольшеераспространениевтехнике измерения давления практически во всех отраслях народного хозяйства.

Термодинамический метод измерения давлений основан на свойствах чистых веществ две, или три фазы которых (газ, жидкость и твердое тело) находятся в термодинамическом равновесии. При этом давление пароввеществаоднозначнозависитотеготемпературы. На основании анализа многочисленных отечественных

изарубежных публикаций методы и устройства, реализующие данный метод, можно классифицировать по физическому принципу действия, основанному на использовании:

1)фиксированных точек фазовых переходов чистых веществ – тройных точек (ТТ) ;

2)непрерывныхучастковР-Ткривойфазовогопере- хода I-го рода чистых веществ:

– кривой плавления;

– кривой сублимации;

– кривой жидкость-пар.

Указанные выше кривые равновесия фаз и тройная точка используются в косвенных методах определения давленияпорезультатамизмерениятемпературывравновесных точках. Однако, как показала практика, устройстванаосноветройнойточкигазовимеютограниченное число воспроизводимых точек давления, определяемое номенклатурой чистых газов, и ряд других технических неудобств, связанныхсрасчетомразличныхпоправокдля нахождениязначениядавления, ктомужедляреализации этогометодатребуютсясредствазаданияиподдержания криогенной температуры с необходимой точностью (не хуже 1 мК). Методы измерения давления на основе Р-Т кривых сублимации и плавления позволяют работать с диапазономмалыхдавлений(включаяобластьвакуума), либовысокихисверхвысоких. Дляобластисреднихдавлений применяется термодинамический метод воспроизведения и измерения давления на основе Р-Т кривой равновесия жидкость-пар.

Впоследниегодывмировойизмерительнойпрактике проявляется большой интерес к методам измерений, основаннымнаиспользованиифизическихконстант, которыемогутбытьизмеренысоченьвысокойточностью.

Кчислу таких немногих констант относится показатель преломления(ПП) жидкости. Известно, чтоППвещества определяется его природой и зависит от длины волны света и внешних условий, в основном от температуры

идавления. Именно на зависимости ПП рабочей среды от давления основаны оптический манометр для измерений абсолютных давлений и интерференционный метод для статической и динамической градуировки датчиков давлений.

На практике для измерения давления находят также применение методы, основанные на зависимости от давления различных физических свойств жидкостей и газов и протекающих в них процессах. В основном эти методы используются в области вакуумных измерений. Зависимость теплопроводности разреженного газа от давления используется в тепловых и термопарных манометрах, зависимость величины электрического разряда, создаваемого движением заряженных частиц в

вакууме, отдавления– вэлектроразрядныхманометрах

(ионизационных, магнитных, радиоизотопных). Для определения давлений применяются также средства измерения, основанные на зависимости от давления электрического сопротивления тензорезисторов, электрического заряда пьезоэлемента, вязкости газов, кинетическойэнергиимолекул, концентрациимолекулит. д.

Области применения, роль измерений давления в науке и промышленности

Давление определяет состояние веществ в природе (твердое тело, жидкость, газ). Измерение давления необходимопрактическивлюбойобластинаукиитехники как при изучении происходящих в природе физических процессов, так и для нормального функционирования различных технических устройств и технологических процессов. Давлениеявляется однимизосновныхрабочих параметров, от точности и надежности измерения которогозависитдостоверностьрезультатовэкспериментальныхисследованийвгидроигазодинамике; качество технологических процессов в электротехнической, химическойипищевойпромышленности; оптимальные режимыработыобъектоввракетнойтехникеиавиации, энергетике и транспорте, топливной промышленности; эффективностьсистемдобычи, переработкиитранспортировки нефти и нефтепродуктов. Во многих отраслях наукиприпроведениифизических, термодинамических и метрологических исследований также требуется измерять давление. Техника физического эксперимента немыслимавнастоящеевремябезпримененияприборов, позволяющих определять количественную оценку давления. Измерение параметров давления и их контроль необходимынетольковнаукеитехнике, ноивпрактическоймедицине. Диагностикаилечениерядазаболеваний требуетопределениядавлениякрови, спинномозговойи внутричерепной жидкости, некоторые лечебные процедуры и хирургические операции проводят внутри барометрических камер при строго определенном давлении.

Огромное количество измерений, выполняемых практически во всех отраслях промышленности, сельском хозяйстве и научных исследованиях, связаны с измерениями давления, в связи с этим в настоящее время эксплуатируетсяболее250 млн. экземпляровразличных средств измерения давления.

Наиболееширокоеприменениевнародномхозяйстве страны находят измерения избыточных давлений, парк приборов в этой области превышает 90% от их общего количества. Определениеизбыточногодавлениянеобходимо в нефтяной, газовой и атомной промышленности, в станкостроении, судостроении, приборостроении и многихдругихотраслях. Давлениеобеспечиваетфункци- онированиесистемтопливно-энергетическогокомплекса, нефте-, газо- и водопроводов, работу разнообразных станков, механизмов и установок в различных отраслях производства, приводит в движение автомобили и самолеты, геодезические ракеты и космические корабли. Диапазонизмеренийвобластивысокихисверхвысоких давлений составляет от 250 МПа до 10 ГПа, в области средних давлений – от 40 кПа до 250 МПа, в области

микроманометрии – от 0,1 Па до 40 кПа. Наибольшее распространение в науке и технике находит диапазон средних избыточных давлений, особенно давлений до

10–25 МПа.

Измеренияабсолютногодавленияприменяютсявметеорологии, геодезиииавиации(102–4·105 Па), вобласти вакуумной техники (10-12–103 Па). Средства измерения абсолютныхдавленийиспользуютсяприпроведениитермодинамических, аэродинамических, метрологических и др. исследований (определение констант уравнений состояния различных веществ, скоростей газовых потоков, концентрациигазоввтвердыхвеществах, эталонные температурные и линейные измерения), при изучении и анализе метеорологических условий, определении высоты при полетах и т. д. Исследования, проводимые в радиоэлектронике, аэродинамическихтрубах, вобласти физики плазмы и масс-спектрометрические исследования; изучение явлений, происходящих в электровакуумных приборах и при управляемых термоядерных реакциях – все эти и многие другие области науки в настоящее время неизбежно опираются на вакуумные измерения. Контрольабсолютногодавленияосуществляетсятакжевразличныхтехнологическихпроизводственных процессах: качество продукции электровакуумной, металлургической, полупроводниковой, медицинской, пищевой, химическойифармацевтическойпромышленности в значительной степени зависят от точности этих измерений.

Широкое применение в народном хозяйстве страны находяттакжеизмеренияразностидавлений, например, приопределениирасхода, скорости, уровняиплотности жидкостей и газов, изучении процессов протекания в вакуумных проводках. В промышленности разность давлений измеряют для контроля и регулирования некоторых производственных процессов. Так, например, в коксохимической и газовой промышленности микроманометры применяются в качестве датчиков приборов автоматического контроля и регулирования расходов газа, в металлургической промышленности они служат для автоматического контроля и регулирования тяги в мартеновских печах, в горной промышленности – для наблюдения за процессами вентиляции в шахтах и рудниках и т. д. Пределы измерений разности давлений составляют от 1 Па до 1 МПа, а в некоторых случаях до

10МПа и выше.

Сучетом специфики каждого извидовдавления при измерениях применяются специальные средства измерений – манометры и измерительные преобразователи давления.

Система обеспечения единства измерений

Единицадавлениявоспроизводится, хранитсяипередаетсяпятьюгосэталонами. Четыреизнихнаходятсяво ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, один во ВНИИФТРИ.

Составосновныхсредствизмерений, входящихвсостав госэталонов и порядок передачи размера единицы давления приведены в:

– ГОСТ Р 8.802-2012. Государственная поверочная схема для средств измерений избыточного давления до

250 МПа. Размер единицы воспроизводится, хранится и передается госэталоном ГЭТ 23-2010;

–ГОСТ Р 8.840-2013. Государственная поверочная схема для средств измерений абсолютного давления в диапазоне 1 – 1·106 Па (ГЭТ 101-2011);

–ГОСТ 8.107-81. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений абсолютного давления в диапазоне 1·10-8 –

1·103 Па (ГЭТ 49-80);

–ГОСТ 8.187-76. Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений разности давлений до 4·104 Па (ГЭТ 95-75);

–ГОСТ 8.094-73. Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерениядавлениясверхнимипределамиот10000·105 – 40000·105 Па. В настоящее время для эталона ГЭТ 432013 разрабатывается новая поверочная схема.

Динамика и перспективы дальнейшего развития

Перспективы развития приборов для измерения давления тесно связаны с общими достижениями в развитиинаукиитехники. Совершенствованиепоршневых манометров определяется успехами в создании новых материалов поршневых пар, повышающих точность их изготовления, прочностные характеристики и износостойкость, а также развитие микроэлектроники, представляющее новые возможности автоматизации поршневых манометров. Одной из важнейших задач является повышение качества изготовления поршневых пар. Применение в качестве материалов поршневых пар сверхтвердых сплавов на основе карбида вольфрама, прочностные характеристики которых (твердость, модуль упругости) существенно выше, чем у обычно применяемых легированных сталей, а температурный коэффициент линейного расширения ниже, позволяет соответственно снизить влияние измеряемого давления и температуры на постоянство эффективной площади поршня и ее стабильность в период эксплуатации манометра. При этом зазор уменьшается до 0,1–0,3 мкм, что обеспечивает идеальную цилиндрическую форму поверхностей поршневой пары, а, следовательно, возможность определения эффективной площади поршня абсолютным (фундаментальным) методом по результатам измерений диаметров поршня и цилиндра с эталонной точностью ( δ A <0,001 %). Указанная точность в сочетании с методами непосредственного сличения эталоновделаетреальнымужевближайшиегодысозданиеэталоновдавленияспогрешностьюизмеренийменее 0,0005 %. Совершенствованиетехнологииизготовления поршневыхпарразвиваетсятакжевнаправлениисозданияманометровснаборамипоршневыхпарсразличной эффективнойплощадью, имеющихзаданныеноминальныезначения, которыепозволяютприпримененииодного и того же комплекта грузов получать различные диапазоныизмерений. Приизготовлениитакихпоршневых пар необходимы прецизионные круглошлифовальные станки с программным управлением, обеспечивающие обработкупоршнейицилиндровспогрешностьюменее

1 мкм. Развитие электронной техники и, в частности, выпуск в обращение высокоточных электронных весов привели к созданию поршневых манометров с цифровымотсчетом, позволяющихнепосредственноизмерять давление во всем диапазоне без применения грузов, что позволяет перевести поршневую манометрию на качественноновыйуровень– автоматизированный. Применениемикропроцессорнойтехникидаетвозможность учитывать влияние температуры и местного ускорения свободногопадения, отклонениедействительнойплощади поршня от номинального значения, а также получать результаты измерений в требуемых единицах давления. Одним из перспективных направлений является также изготовление эталонных грузопоршневых манометров на газовой смазке. Они обеспечат поверку манометров, работающих на газе без разделителя, то есть без потери точности. Достаточно актуальной является перспектива создания эталонных грузопоршневых манометров для области дифференциальных давлений с возможностью создания разных опорных давлений. В настоящее время дифманометры, выпускаемые промышленностью, поверяютвусловиях, когдаопорноедавлениевминусовой камере равно атмосферному. В этом случае полученные погрешности, согласно существующим нормативным документам, автоматически распространяются и на случаи, когдаопорноедавлениевомногоразпревышает атмосферное, что некорректно. В реальных условиях дифманометры, установленные в коммерческих узлах учетанефтиигазамагистральныхнефтеигазопроводов, работают в условиях, когда опорное давление в десятки раз превышает атмосферное давление. В результате этого неправильно определяют расход нефти и газа, что приводит к большим экономическим потерям. Такое положениесложилосьивдругихотрасляхнародногохозяйства: энергетике, металлургииидр. Длярешенияэтой проблемынеобходимосозданиепаркаэталонныхгрузопоршневыхманометровдляобластидифференциальных давлений, разработка и внедрение новых нормативных документов по поверке дифманометров.

Применение жидкостных манометров при техническихизмеренияхвнародномхозяйствестраныбудетвсе более сокращаться, они будут постепенно вытесняться деформационными, поршневымиманометрамииизмерительнымипреобразователямидавленияразличныхтипов.

Деформационныеманометрытребуютдлясвоейградуировкипримененияметодовисредств, основанныхна абсолютных методах воспроизведения давления. Повышение их точности, в принципе, ограничено точностью применяемых при градуировке в основном поршневых эталонов, которая характеризуется погрешностями по- рядка1·10-5–5·10-5. Этопозволилоужевнастоящеевремя создатьэталонныедеформационныеманометры, погреш- ностикоторыхнепревышают2,5·10-4–5·10-4. Дальнейшее повышение точности деформационных манометров в связи с их недостаточно высокой долговременной стабильностьювозможнолишьприусловиипериодической корректировки показаний в процессе эксплуатации, что может быть достигнуто как путем периодического сравнения показаний деформационного манометра с показаниями точного и стабильного поршневого манометра, так и другими способами. Одним из важнейших

направленийразвитияточныхдеформационныхманометров является разработка портативных эталонных переносных манометров, пригодных для контроля рабочих средств измерений на месте их эксплуатации. Однако основное назначение деформационных манометров состоит в удовлетворении потребностей различных отраслейпромышленностивизмерениидавления, таккакв каждойотраслисуществуютсвоитребованиякусловиям эксплуатации, формампредставленияинформации, точностиинадежности, необходимымгабаритнымразмерам и пр. Все это требует совершенствования различных параметров и свойств деформационных манометров, спецификакоторыхопределяетсяихназначениемипринципом действия. Выпускаемые десятками миллионов штукобщепромышленныестрелочныедеформационные манометры смеханическим преобразованием давления, требования к точности которых относительно невысоки в конструктивном отношении радикальной модернизации не требуют. Основная задача состоит в повышении качества изготовления с целью достижения долговечности и надежности и, в первую очередь, улучшении такихметрологическиххарактеристикдеформационных манометров, как нелинейность и вариация показаний. Необходимо также дальнейшее совершенствование материаловУЧЭсцельюпониженияихчувствительностик изменениямтемпературы. Деформационныеманометры, основанные на электрических методах преобразования (индуктивные, емкостныеидр.), обеспечиваядостаточно высокую точность, нуждаются в совершенствовании методовзащитыихэлектрическихцепейотвоздействия внешних электрических и магнитных полей, особенно при необходимости размещения на расстоянии УЧЭ и электроники. Благодаря современным технических достижениям в области технологий достаточно перспек-

тивнымявляетсядальнейшееразвитиеметаллическихи полупроводниковыхтензорезистивныхдеформационных манометров.

Важнойчертойразвитиянаукиитехникивнастоящее времяявляетсяпереходковсеболееполнойавтоматизации контроля, регулирования и управления производственными и технологическими процессами. Наметилась тенденцияразработкиминиатюрныхмикропроцессорных аналого-цифровыхпреобразователей, встроенныхвполупроводниковыедатчикиприборов, измеряющихдавление, которые позволяют передавать выходной сигнал непосредственнонаЭВМ. Анализируяпотребностинародного хозяйства, можнопрогнозироватьприоритетноеразвитие таких областей, как энергетика, авиация, метеорология, медицинское приборостроение, робототехника, что потребует создания нового поколения интеллектуальных датчиков давления и показывающих приборов.

Литература

1.Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара. – М.: Изд-во стандартов, 1989.

2.Льюцци М. История физики. – М.: Мир, 1970.

3.Липсон Г. Великие эксперименты в физике. – М.:

Мир, 1972.

4.Развитие физики в России. – М.: Просвещение, 1970.

5.СтолетгосударственнойслужбымеривесоввСССР, –

М., Л.: ОГИЗ, 1945.

6.Гуляев М.А., Ерюхин А.В. Измерение вакуума – М.: Изд-во стандартов, 1967.

7.Большая Советская энциклопедия. Т. 7, 1972.

8.Розанов Л.Н. Вакуумная техника – М.: Изд-во «Высшая школа», 1990.

В.Н. Горобей, А.И. Гончаров

Принцип действия

Принцип действия эталона заключается в уравновешивании усилия на неуплотненный поршень, создаваемого измеряемым давлением, весом поршня с грузоприемным устройством и специальных грузов с разновесами, наложенныхнагрузоприемник. Вращение поршня во время измерения устраняет влияние трения между поршнем и цилиндром.

Воспроизведениеединицыдавленияосуществляется путем реализации совокупности операций по определению значения давления на основании измерений эффективнойплощадипоршняизмерительныхпоршневыхсистем(ИПС) эталона, функциональносвязаннойс измеряемым давлением.

Эффективная площадь ИПС эталона определяется методом абсолютных измерений диаметров поршней

и цилиндров. Среднее квадратическое отклонение (СКО) результатов этих измерений составляет не более 0,05 мкм. Измерения проводят в 10 сечениях, равномерно распределенных по высоте длины шлифа поршня и цилиндра. В каждом сечении выполняют три измерения диаметров, составляющих между собой углы 120º. Диаметры поршней ИПС измеряют на горизонтальном интерферометре модели 273 с электронной системой «Микрон 02»; внутренние диаметры цилиндров – при помощи электронной лазерной интерференционной установки ЛИУ-200, оснащенной стабилизированным He-Ne – лазером (λ=632,99098 нм), фотоэлектрическим перфлектометромисистемойбесконтактногооптического наведения на измеряемую поверхность.

По результатам линейных измерений определялась для каждой ИПС средняя арифметическая эффективная площадь по формуле:

Рис. 1. Государственный первичный эталон единицы давления-паскаля

где Dцi, Dпi – диаметры поршня и цилиндра соответственно по результатам i-го измерения.

Кроме линейных измерений диаметров поршней и цилиндров ИПС, проводились их межгрупповые и внутригрупповыесличения. Приэтомэффективнаяплощадь ИПС определялась по формуле

где A1, A2 – эффективные площади 1-й и 2-й сличаемыхИПС; m1i, m2i – массыгрузовиразновесов, нагрузоприемных устройствах 1-й и 2-й ИПС при i-м сличении после уравновешивания обеих поршневых систем; M10, M20, t10, t20 – массы подвижной части и грузов и температуры поршневых пар 1-й и 2-й ИПС при предварительном уравновешивании; pNi – номинальное значение измеряемого давления; α1, α2, λ1, λ2 – температурные коэффициенты линейного расширения материалов и коэффициенты деформации поршневых пар 1-й и 2-й ИПС; t1i, t2i – температуры этих поршневых пар при i-м уравновешивании.

ОсновнымиузламиэталонаявляютсяИПСикомпаратор давления. В процессе сличений ИПС их равновесие достигалосьизменениемнагрузок(мермасс) накомпараторедавления, выполняющемфункциюгидравлических илипневматическихвесов. Визуальныйконтрольтакого

Рисю 2. Лазерное устройство для контроля скорости опускания и положения равновесия поршня ГЭТ, где 1 – лазер газовый;

2– грузоприемник; 3 – фотоприемник; 4 – микроамперметр; 5 – поршень; 6 – термостат; 7 – цилиндр

перемещенияосуществляетсялазернымустройствомдля контроля скорости опускания и положения равновесия поршнейэталона. Принципдействияустройстваоснован на взаимодействии оптического излучения с объектом и преобразовании информативного оптического сигнала в электрический. В состав устройства вошли газовые лазеры малой мощности, оптические элементы, фотоприемники и электронный блок настройки и контроля.

Основная часть устройства показана на рис. 2. В качестве источника излучения был выбран отечествен- ныйHe–Ne– лазерЛГ-78 мощностьюизлучения2 мВти диаметром пучка 2,5 мм. Впоследствии он был заменен налазерыЛГН-208АиГН-5М. Фотоэлектрическимпре- образователемслужитфотодиодФД-24К(ФД-7К), который имеет линейную интегральную чувствительность, большую площадь приемной поверхности (около 1 см2)

ималый фоновый сигнал. Для контроля и измерения электрического сигнала в устройстве использован стрелочный микроамперметр М2027 класса точности 1,0 и с верхнимпределомизмерений100 мкА. ПотенциометрR предназначендлярегулировкичувствительностиустройства. Лазерифотоприемникзакрепленыввертикальных стойках, обеспечивающих их взаимную настройку и юстировку лазерного пучка относительно нижнего торца грузоприемника ИПС. Расстояние между лазером

ифотоприемником выбирали из условия отклонения стрелкимикроамперметранаполнуюшкалуприполной освещенности фотоприемника и соответствующей настройке измерительного блока.

Таблица 1. Метрологические характеристики эталона

Метрологические и технические характеристики

Эталон ГЭТ 23-2010 содержит набор измерительных поршневыхсистемисостоитизкомплексаследующихСИ:

–измерительных поршневых систем № 8; 31 и 52 с номинальнымзначениемплощадипоршня5,0 см2 идиапазоном измерений давления 0,02–3 МПа;

–измерительных поршневых систем № 1 и 9 с номинальным значением площади поршня 1,5 см2 и диапазоном измерений давления 1–10 МПа;

–наборагирьклассаF1 сноминальнымизначениями масс от 5·10-6 до 0,5 кг;

–набора специальных грузов с номинальными значениямимассот0,5 до5 кг, погрешностьюнеболее10-6;

–аппаратурыдлясозданияиподдержаниягидростатического и пневматического избыточного давления и передачи давления.

Назначение и область применения

Эталон ГЭТ 23-2010 предназначен для воспроизведения, хранения и передачи единицы давления с наивысшей точностью, при помощи вторичных и рабочих эталоноврабочимсредствамизмерений, применяемыхв экономикеРФсцельюобеспеченияединстваизмерений в стране и для международных сличений. Эталон возглавляетгосударственнуюповерочнуюсхемудлясредств измерений избыточного давления до 250 МПа согласно ГОСТ Р 8.802-2012.

В настоящее время в Российской Федерации имеются более 200 вторичных эталонов и более 1000 эталонов 1-го разряда, находящихся в эксплуатации в 30 центрах стандартизации и метрологии. Кроме того, от национального первичного эталона (НПЭ) России осуществляетсяпередачаединицыдавлениянациональным эталонам Кубы, Казахстана, Беларуси и Узбекистана. Из-за рубежа ввозится большое количество грузопоршневых манометров и калибраторов давления известных фирм(DH-Budenberg, Ruska, Pressurements, Fluke идр.),

метрологические параметры которых соответствуют вторичным эталонам.

Внедрение государственного первичного эталона единицы давления – паскаля позволяет метрологически обеспечить на более высоком уровне решение задач в приоритетных направлениях развития науки и техники, технологий таких как создание транспортных, авиационных и космических систем, энергетика и энергосбережение, специальная техника, технологии создания новых поколений ракетно-космической, авиационной и морской техники, интеллектуальных систем навигации и управления, базовые и критические специальные и промышленные технологии.

Основные результаты, уникальность и преимущество

В период 2007–2010 гг. во ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» былусовершенствовангосударствен-

ныйпервичныйэталонединицыдавления– паскаляГЭТ 23-79. Модифицированный эталон единицы давления в новом составе получил регистрационный номер ГЭТ 23–2010. При создании и исследовании эталона были учтены последние достижения в области теории грузопоршневых манометров в стране и за рубежом, а также опыт, полученный в ключевых сличениях.

Для реализации сличений жидкостного эталона с газовыми был разработан газожидкостной разделитель сред, в состав которого вошли светопроницаемая герметичная камера и лазерный измеритель перемещения (ЛИП) менискарабочейжидкости. Вкачествеисточника оптическогоизлучениябылвыбранатомарныймногомо- довыйгазовыйлазерГН-5Ммощностьюизлучения5 мВт и диаметром пучка 3,5 мм. В процессе экспериментов с ЛИПбылаобнаруженапрямопропорциональнаязависимостьвыходноготокафотоприемникаотинтенсивности лазерного излучения, которая изменялась от опускания илиподнятияменискарабочейжидкости, находящейсяв зонелазерногопучка. Приперемещениименискарабочей жидкоститолщиной30 мкмподдействиемдавлениясила тока менялась от 0 до 100 мкА при соответствующей настройке ЛИП.

Чтобы расширить функциональные возможности эталона, было разработано пневматическое устройство для поддержания давления газа с двумя специальными сильфоннымирегуляторами, котороеразмещалинакомпаратореэталона. Приэтомнагнездахкомпараторауста- навливалипластины-заглушкидляотделениясличаемых газовыхИПСотжидкойсреды. Предельнаячувствительностьустройства0,02 Па, диапазонизмерений0–1 МПа.

Таким образом, разработанные устройства повысили точность отсчета положения равновесия сличаемых ИПСпримернонапорядок, чтообусловилотрехкратное уменьшение случайной погрешности эталона и обеспечилоегоучастиевключевыхмеждународныхсличениях.

Международное сотрудничество. Сличения

Научноисследовательскаялабораториягосударственныхэталоноввобластиизбыточныхиразностидавлений ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» является хранителем эталона ГЭТ 23-2010, постоянно осуществляет контакт с ведущими метрологическими лабораториями мира и участвует в работе рабочей группы по давлению консультативного комитета «Масса и связанные с ней величины» BIPM.

В период с 2000 по 2012 гг. были проведены 4 ключевых сличения национальных эталонов единицы давления в диапазоне от 0,05 до 100 МПа (COOMET

№115/RU/95, EUROMET.M.P-K3 а, СООМЕТ.M.P-K1

и СООМЕТ.M.P-K2), в которых участвовали более 20 стран. В 2-х сличениях ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» былпилотомсличений. Всесличениябылипроведены на измерительных поршневых системах №№ 1, 8 и 52, которые вошли в состав усовершенствованного эталона ГЭТ 23-2010.

Результаты сличений подтвердили метрологические характеристики ГЭТ 23-2010 и его эквивалентность лучшим зарубежным аналогам.