О возможности применения деформационно-частотного способа измерения абсолютного давления газа в эталонных вакуумметрах

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 Р_НПИ – Р_ВПИ 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.

1. Чернышенко 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.

2. Горобей В. Н., Израилов Е. К. Эталонный мембранно-емкостный манометр низких абсолютных давлений // Измерительная техника. 2011. № 4. С. 70–73.

3. 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/10.20915/2077-1177-2022-18-2-73-88

4. 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.2019-3-3-7

5. Гаршин 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.

6. 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.

7. 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.

8. Горобей В. Н., Кувандыков Р. Э., Тетерук Р. А. Резонансный вакуумметр // Законодательная и прикладная метрология. 2019. № 6. С. 24–26.

9. 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.

10. 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.

11. Розанов Л. Н. Вакуумное технологическое оборудование. СПб: издательство Политехнического Университета, 2012. 26 с.

12. 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.

13. 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.

14. Способ измерения низкого абсолютного давления газа и устройство для его осуществления: патент RU2749644 C1, заявл. 23.11.2020; опубл. 16.06.2021.

15. Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э. Теория колебаний. Москва: Наука, 1991. 35 с.

16. Калинкина М. Е., Пирожникова О. И. Микроэлектромеханические системы и датчики. СПб.: Университет ИТМО, 2020. 75 с.

17. Blech J. J. On isothermal squuze film // Lubricant Technology. 1983. P. 615–620.

18. 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.2007.05.031