rmjournalЭталоны. Стандартные образцыMeasurement Standards. Reference Materials2687-0886D. I. Mendeleyev Institute for Metrology10.20915/2077-1177-2022-18-3-17-28rmjournal-367Research ArticleЭталоныStandardsО возможности применения деформационно-частотного способа измерения абсолютного давления газа в эталонных вакуумметрахOn the Possibility of Using the Strain-Frequency Method for Measuring the Absolute Gas Pressure in Reference Vacuum Gaugeshttps://orcid.org/0000-0002-5847-9056КувандыковР. Э.KuvandykovR. E.

Кувандыков Рустам Эгамбердыевич – ведущий инженер отдела государственных эталонов в области измерения давления

190005, г. Санкт-Петербург, пр. Московский, д. 19

Rustam E. Kuvandykov – Leading Engineer of the Department of state standards in the field of pressure measurements

19 Moskovsky ave., St. Petersburg, 190005

ruskuw@mail.ruФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева»РоссияD. I. Mendeleyev Institute for MetrologyRussian Federation2022301220221831728Copyright © Кувандыков Р.Э., 20222022Кувандыков Р.Э.Kuvandykov R.E.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rmjournal.ru/jour/article/view/367

Обеспечение точности вакуумных измерений крайне важное направление в метрологической науке, имеющее критическое значение для промышленности. На сегодняшний день в России при поверке и калибровке вакуумметров в качестве эталонных вакуумметров используются преимущественно иностранные вакуумметры с диапазоном измерений вакуума РНПИ – РВПИ 0,1 – 1000 Па. На основе проведенного анализа характеристик применяемых в России эталонных вакуумметров, основанных на различных методах измерений давления газа, можно утверждать, что наиболее точным и распространенным среди эталонных вакуумметров методом измерений является деформационный. Однако деформационный метод обладает рядом ограничений, связанных с необходимостью введения следующих поправок: поправкой на остаточное давление в сравнительной камере, поправкой на влияние температурных эффектов при термостатировании первичного измерительного преобразователя.

Целью данной работы стало исследование соответствия метрологических характеристик вакуумметра, основанного на новом деформационно-частотном способе измерения абсолютного давления газа, требованиям к эталонным вакуумметрам, приведенным в государственных поверочных схемах в области измерений вакуума.

Основными методами исследования стало исследование метрологических характеристик деформационно-частотного вакуумметра с учетом поправки на остаточное давление в сравнительной камере; поправки на влияния температурных эффектов при термостатировании первичного измерительного преобразователя, а также на соответствие метода требованиям государственных поверочных схем в области измерений вакуума. На основе анализа уравнения измерения (с учетом оценки составляющих источников неопределенностей) приведена оценка показателей точности деформационно-частотного способа измерения абсолютного давления газа. Полученные результаты исследования доказали возможность применения деформационно-частотного способа измерения давления с исключением поправки на остаточное давление в сравнительной камере, поправки на влияние температурных эффектов при термостатировании первичного измерительного преобразователя, в эталонных вакуумметрах, соответствующих требованиям государственных поверочных схем в области измерений вакуума.

В результате исследования установлено, что расширенная неопределенность результата измерения давления вакуумметром, основанном на новом деформационно-частотном способе, не превышает 2 %, что позволяет использовать данный способ в эталонных вакуумметрах.

Практическая значимость разработанных научно-методических принципов и технологических решений для расчета и изготовления первичного измерительного преобразователя вакуумметра, основанного на новом способе измерения низкого абсолютного давления и состоит в возможности изготавливать первичный измерительный преобразователь на российских предприятиях с использованием отечественных технологий микросистемной техники.

An especially important direction in metrological science is ensuring the accuracy of vacuum measurements, which is crucial for industry. In Russia, predominantly foreign vacuum gauges with a vacuum measurement range PNPI – PVPI 0.1–1000 Pa are used as reference vacuum gauges for verification and calibration of vacuum gauges. On the basis of the analysis of the characteristics of reference vacuum gauges used in Russia based on various methods for measuring gas pressure, it can be argued that the most accurate and common measurement method among reference vacuum gauges is the strain method. However, the strain method has a number of limitations associated with the need to introduce the following corrections: correction for the residual pressure in the comparative chamber, correction for the influence of temperature effects during temperature control of the primary measuring transducer.

 The purpose of this work was to study the compliance of the metrological characteristics of a vacuum gauge based on a new strain-frequency method for measuring the absolute gas pressure with the requirements for reference vacuum gauges given in state verification schemes in the field of vacuum measurements.

The main research methods were the study of the metrological characteristics of the strain-frequency vacuum gauge, taking into account the correction for the residual pressure in the comparative chamber; corrections for the influence of temperature effects during temperature control of the primary measuring transducer, as well as for the compliance of the method with the requirements of state verification schemes in the field of vacuum measurements. An assessment of the accuracy indicators of the strain-frequency method for measuring the absolute gas pressure based on the analysis of the measurement equation, taking into account the assessment of the components of the uncertainty sources, is given. The obtained results have shown the possibility of using the strain-frequency method of pressure measurement, with the exception of the correction for the residual pressure in the comparative chamber, corrections for the influence of temperature effects during temperature control of the primary measuring transducer in reference vacuum gauges that meet the requirements of state verification schemes in the field of vacuum measurements.

As a result of the study, it was found that the expanded uncertainty of the result of measuring pressure with a vacuum gauge based on the new strain-frequency method does not exceed 2 %. This makes it possible to use this method in reference vacuum gauges.

The practical significance of the developed scientific and methodological principles, and technological solutions for calculating and manufacturing the primary measuring transducer of a vacuum gauge based on a new method for measuring low absolute pressure lies in the possibility to manufacture the primary measuring transducer at Russian enterprises using domestic technologies of microsystem technology.

эталонный вакуумметрсредства измерения низкого абсолютного давления газавакуумметрывакуумметрические установкикоэффициент чувствительностипогрешностьнеопределенностьдеформационно-частотный способ измеренияreference vacuum gaugemeans for measuring low absolute gas pressuregaugesvacuum gaugessensitivity coefficienterroruncertaintystrain-frequency methodВсе исследования проводились в ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева».All studies were carried out at the D. I. Mendeleyev Institute for Metrology.ReferencesЧернышенко А. А. Трансформация системы метрологического обеспечения в области измерений давлений и вакуума // Вакуумная техника и технологии – 2020 : сб. труд. 27-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. 27–29 октября 2020 г. / под ред. Д. К. Кострина и С. А. Марцынюкова. СПб.: Изд-во СПб ГЭТУ ЛЭТИ, 2020. С. 8–10.Chernyshenko A. A. Transformation of the metrological support system in the field of pressure and vacuum measurements. In: Proceedings of the 27th Аll-Russian Conference with International Participation Vacuum Technique and Technology – 2020; 27–29 October 2020; St. Petersburg, Russia. St. Petersburg: SPb GETU LETI; 2020. p. 8–10. (In Russ.).Горобей В. Н., Израилов Е. К. Эталонный мембранно-емкостный манометр низких абсолютных давлений // Измерительная техника. 2011. № 4. С. 70–73.Gorobej V. N., Izrailov E. K. Standard diaphragm-capacitive manometer of low absolute pressures. Measurement Techniques. 2011;(4):70–73. (In Russ.).Чернышенко А. А. Развитие системы метрологического обеспечения в области вакуумных измерений в работах ФГУП ≪ВНИИМ им. Д. И. Менделеева≫ // Эталоны. Стандартные образцы. 2022. Т. 18. № 2. С. 73–88 https://doi.org/10.20915/2077-1177-2022-18-2-73-88Chernyshenko A. A. Development of the metrological support system in the field of vacuum measurements in the works of D. I. Mendeleyev Institute for Metrology. Measurement Standards. Reference Materials. 2022;18(2):73–88. https://doi.org/10.20915/2077-1177-2022-18-2-73-88 (In Russ.).Садковская И. В., Эйхвальд А. И., Эйхвальд Т. А. Лазерный интерференционный масляный манометр государственного первичного эталона единицы давления ГЭТ 101-2011 // Измерительная техника. 2019. № 3. С. 3–7. https://doi.org/10.32446/0368–1025it.2019-3-3-7Sadkovskaya I. V., Eikhvald T. A., Eikhvald A. I. Laser interference oil manometer of state primary standard of the unit of pressureGET 101-2011. Measurement Techniques. 2019;62 (3) 181-187. https://doi.org/10.32446/0368–1025it.2019-3-3-7Гаршин А. Я., Горобей В. Н., Кувандыков Р. Э. Резонансный вакуумметрический преобразователь, созданный по технологии МЭМС // Вакуумная техника и технологии – 2017 : сб. труд. 24-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Санкт-Петербург, 6–8 июня 2017 г. / под ред. д-ра техн. наук А. А. Лисенкова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2017. С. 51–53.Gorobei V. N., Garshin A. Ia., Kuvandykov R. E. Resonance vacuum gauge created using MEMS technology. In: Proceedings of the 24th Аll-Russian Conference with International Participation Vacuum Technique and Technology – 2017; 6–8 June 2017; St. Petersburg, Russia. St. Petersburg: SPb GETU LETI; 2017. p. 51–53. (In Russ.).Гаршин А. Я., Горобей В. Н., Кувандыков Р. Э. К расчету уравнения измерений МЭМС вакуумметрического преобразователя // Вакуумная техника и технологии – 2018 : сб. труд. 25-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Санкт-Петербург, 5–7 июня 2018 г. / под ред. д-ра техн. наук А. А. Лисенкова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2018. С. 125–127.Garshin A. Ia., Gorobei V. N., Kuvandykov R. E. On the calculation of the measurement equation for a MEMS vacuum transducer. In: Proceedings of the 25th Аll-Russian Conference with International Participation Vacuum Technique and Technology – 2018; 5–7 June 2018; St. Petersburg, Russia. St. Petersburg: SPb GETU LETI; 2018. p. 125–127. (In Russ.).Технология изготовления микромеханического преобразователя низкого абсолютного давления / В. Н. Горобей [и др.] // Вакуумная техника и технологии – 2018 : сб. труд. 25-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Санкт-Петербург, 5–7 июня 2018 г. / под ред. д-ра техн. наук А. А. Лисенкова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2018. С. 128–131.Gorobei V. N., Konakov S. A., Kuvandykov R. E., Popova I. V. Manufacturing technology of a low absolute pressure micromechanical transducer. In: Proceedings of the 25th Аll-Russian Conference with International Participation Vacuum Technique and Technology – 2018; 5–7 June 2018; St. Petersburg, Russia. St. Petersburg: GETU LETI; 2018. p. 128–131. (In Russ.).Горобей В. Н., Кувандыков Р. Э., Тетерук Р. А. Резонансный вакуумметр // Законодательная и прикладная метрология. 2019. № 6. С. 24–26.Gorobey V. N., Kuvandykov R. E., Teteruk R. A. Resonant vacuum gauge. Zakonodatel’naja i prikladnaja metrologija. 2019;(6):24–26. (In Russ.)Кувандыков Р. Э., Тетерук Р. А., Чернышенко А. А. Исследование отечественного первичного измерительного преобразователя вязкостного вакуумметра // Вакуумная техника и технологии – 2022: сб. труд. 29-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Санкт-Петербург, 21–23 июня 2022 г. / под ред. Д. К. Кострина, С. А. Марцынюкова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2022. С. 41–46.Kuvandykov R. E., Teteruk R. A., Chernyshenko A. A. Study of the domestic primary measuring transducer of a viscous vacuum gauge. In: Proceedings of the 29th Аll-Russian Conference with International Participation Vacuum Technique and Technology – 2022; 21–23 June 2022; St. Petersburg, Russia. St. Petersburg: SPb GETU LETI; 2022. p. 41–46. (In Russ.).Чернышенко А. А. Современное состояние и перспективы развития эталонной базы в области измерений низких абсолютных давлений и вакуума // Вакуумная техника и технологии – 2019 : сб. труд. 26-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. СПб.: СПб ГЭТУ ЛЭТИ, 2019. С. 59–63.Chernyshenko A. A. Current state and prospects of development of the reference base in the field of measurements of low absolute. In: Proceedings of the 26th Аll-Russian Conference with International Participation Vacuum Technique and Technology – 2019; St. Petersburg: SPb GETU LETI; 2019. p. 59–63. (In Russ.).Розанов Л. Н. Вакуумное технологическое оборудование. СПб: издательство Политехнического Университета, 2012. 26 с.Rozanov L. N. Vacuum technological equipment. St. Petersburg: izdatel’stvo Politehnicheskogo Universiteta; 2012. 26 p. (In Russ.).Садковская И. В., Эйхвальд А. И. Особенности применения мембранно-емкостных вакуумметров Баратрон при измерении низкого абсолютного давления // Вакуумная техника и технология. 2013. Т. 23, № 1. С. 45–46.Sadkovskaja I. V., Jejhval’d A. I. Features of the use of Baratron membrane-capacitive vacuum gauges for measuring low absolute pressure. Vakuumnaja tehnika i tehnologija. 2013;23(1):45–46. (In Russ.).Мембранно-емкостный преобразователь с компенсацией для первичного эталона давления / И. В. Андронов [и др.] // Вакуумная техника и технологии – 2018 : сб. труд. 25-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Санкт-Петербург, 5–7 июня 2018 г. / под ред. д-ра техн. наук А. А. Лисенкова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2018. С. 121–125.Andronov I. V., Gorobei V. N., Izrailov E. K., Lobashev A. A., Kuvandykov R. E., Chernyshenko A. A. Compensated diaphragmcapacitance transducer for primary pressure standard. In: Proceedings of the 25th Аll-Russian Conference with International Participation Vacuum Technique and Technology – 2018; St. Petersburg: SPb GETU LETI; 2018. p. 121–125. (In Russ.).Способ измерения низкого абсолютного давления газа и устройство для его осуществления: патент RU2749644 C1, заявл. 23.11.2020; опубл. 16.06.2021.Method for measuring low absolute gas pressure and device for its implementation: patent RU2749644 C1. (In Russ.).Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э. Теория колебаний. Москва: Наука, 1991. 35 с.Andronov A. A., Vitt A. A., Hajkin S. Je. Theory of oscillations. Moscow: Nauka; 1991. 35 p. (In Russ.).Калинкина М. Е., Пирожникова О. И. Микроэлектромеханические системы и датчики. СПб.: Университет ИТМО, 2020. 75 с.Kalinkina M. E., Pirozhnikova O. I. Microelectromechanical systems and sensors. St. Petersburg: Universitet ITMO; 2020. 75 p.Blech J. J. On isothermal squuze film // Lubricant Technology. 1983. P. 615–620.Blech J. J. On isothermal squuze film. Lubricant Technology. 1983;615–620.A MEMS friction vacuum gauge suitable for high temperature environment / D. Tenholte // Sensors and Actuators A: Physical. 2008. Vol. 142, No 10. P. 168–172. https://doi.org/10.1016/j.sna.2007.05.031Tenholte D., Kurth S., GeЯner T., Dцtzel W. A MEMS friction vacuum gauge suitable for high temperature environment. Sensors and Actuators A: Physical. 2008;142(10):168–172. https://doi.org/10.1016/j.sna.2007.05.031

The authors declare that there are no conflicts of interest present.