Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор существующих методов и средств измерений низкого абсолютного давления высшей точности и выбор направления работы 13
1.1 Методы и средства измерений абсолютного давления высшей точности. Классификация и принципы действия 13
1.2 Мембранно-емкостный метод измерений давления 14
1.3 Абсолютные методы измерения давления 16
1.4 Жидкостные манометры 18
1.4.1 U-образные (двухтрубные) манометры 18
1.4.2 Компрессионные манометры 21
1.5 Термодинамический метод воспроизведения абсолютного давления 24
1.5.1 Термодинамический метод воспроизведения абсолютного давления на основе фиксированных точек фазовых переходов чистых веществ 24
1.5.2 Термодинамический метод воспроизведения абсолютного давления на основе непрерывных участков Р-Т кривой фазового перехода 1-го рода чистых веществ 26
1.6 Воспроизведение шкалы давлений в области высокого и сверхвысокого вакуума 28
1.7 Выбор направления работы 30
1.8 Заключение к главе 1 31
Глава 2. Теоретические основы построения лазерного интерференционного жидкостного U-образного манометра 32
2.1 Лазерные интерферометры перемещений 32
2.2 Методы обработки интерференционного сигнала 35
2.3 Лазерные интерферометры в жидкостных манометрах 40
2.4 Выбор рабочей жидкости U-образного манометра 48
2.5 Теоретический анализ и оценка источников погрешности ИЖМ и поправок к уравнению измерений 50
2.6 Заключение к главе 2 60
Глава 3. Разработка конструкции лазерного интерференционного жидкостного U-образного манометра 62
3.1 Измерительная ячейка макета ИЖМ 62
3.1.1 Оптическая схема лазерного интерферометра 64
3.1.2 Способ формирования квадратурного сигнала 66
3.2 Устройство сопряжения ИЖМ с ПЭВМ 68
3.3 Разработка виброзащитного устройства 1-го варианта макета ИЖМ 75
3.4 Результаты сличений 1-го варианта ИЖМ с мембранно-емкостным вакуумметром 77
3.5 Разработка 2-го варианта макета ИЖМ 80
3.5.1 Измерительная ячейка 2-го варианта макета ИЖМ 81
3.5.2 Способ формирования квадратурного сигнала 86
3.6 Результаты сличений 2-го варианта ИЖМ с мембранно-емкостным вакуумметром 87
3.7 Поплавковые устройства в лазерных интерференционных жидкостных манометрах 88
3.8 Измерительная ячейка 3 -го варианта макета ИЖМ 89
3.9 Результаты сличений 3-го варианта ИЖМ с мембранно-емкостным вакуумметром 94
3.10 Заключение к главе 3 95
Глава 4. Исследование влияния молекулярных свойств масла на погрешность измерений давления ИЖМ 96
4.1 Измерение коэффициента поверхностного натяжения масла 96
4.2 Теоретическое исследование формы мениска 100
4.3 Экспериментальное определение кривизны свободной поверхности масла в манометре 104
4.4 Эксперименты, предлагаемые с целью исследований зависимости плотности масла от количества растворенного в нем воздуха и его сжимаемости 108
4.5 Заключение к главе 4 111
Глава 5. Результаты метрологических исследований макета ИЖМ 112
5.1. Уравнение измерений ИЖМ 112
5.2. Расчет погрешности измерений давления макетом ИЖМ 112
5.3. Сравнение метрологических характеристик ИЖМ с зарубежными аналогами и ГЭТ 49-80 117
5.4. Заключение к главе 5 119
Заключение 120
Список литературы 123
Приложения
- Абсолютные методы измерения давления
- Лазерные интерферометры в жидкостных манометрах
- Устройство сопряжения ИЖМ с ПЭВМ
- Экспериментальное определение кривизны свободной поверхности масла в манометре
Введение к работе
з Актуальность работы.
Необходимость обеспечения единства измерений низкого абсолютного давления в СССР привела к созданию в 1973 г. во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ) государственного эталона (ГЭ) единицы давления для области низкого абсолютного давления.
Создание ГЭ явилось результатом научных исследований известных ученых - метрологов М.А. Гуляева, А.В. Ерюхина, В.А. Рыжова. В основной состав ГЭ входили следующие средства измерений (СИ) высшей точности, обеспечивавшие воспроизведение единицы давления: набор из четырех компрессионных ртутных манометров, мембранно-емкостный манометр и установка с калиброванными объемами.
В настоящее время в состав ГЭ единицы давления (ГЭТ 49-80) входят мембранно-емкостные вакуумметры и специальная аппаратура для создания и поддержания низкого абсолютного давления. В соответствии с ГОСТ 8.107-81 ГЭ возглавляет государственную поверочную схему (ГПС) для СИ давления в диапазоне 1-Ю"8 - 1-Ю3Па.
Сегодня национальные эталоны единицы низкого абсолютного давления передовых стран мира, применяемые в ведущих метрологических институтах -NIST (США), NPL-UK (Великобритания), IMGC-CNR (Италия), NRLM (Япония), CSIRO (Австралия), - используют в качестве основы жидкостные манометры с интерференционными измерителями разности уровней. Причина этого - высокая точность таких манометров и возможность определения давления на основании прямых измерений основных величин Международной системы единиц - длины и массы, и использовании значения ускорения свободного падения.
Потребности приоритетных направлений развития науки, технологий и техники России в создании и развитии критических технологий дали толчок к
обновлению парка СИ низкого абсолютного давления. Получили применение прецизионные специализированные измерители и преобразователи давления нового поколения с повышенной точностью, расширенными диапазонами измерений и улучшенными функциональными возможностями. Это требует общего повышения уровня обеспечения единства измерений низкого абсолютного давления в стране, как в части создания новых более точных средств поверки и калибровки, так и в части повышения точности ГЭ. Проведенные в этой связи в Санкт-Петербургском государственном университете (СПбГУ) и во ВНИИМ в последние годы исследования показали, что одним из наиболее эффективных путей решения этой проблемы является создание U-образного лазерного интерференционного жидкостного манометра (ИЖМ), способного в настоящее время обеспечить высшую точность измерений. Это свойство ИЖМ позволяет использовать его как в основном составе ГЭ для повышения точности воспроизведения единицы давления, так и в составе рабочих (вторичных) эталонов (РЭ), создание которых предусмотрено ГПС. Вполне возможно и актуально применение интерференционных жидкостных манометров в качестве компараторов давления, а также в потокометрических вакуумных установках.
В связи с изложенным выше важность и актуальность диссертационной работы представляется очевидной.
Цель работы.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование лазерного интерференционного жидкостного манометра высшей точности для повышения уровня обеспечения единства измерений низкого абсолютного давления.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- провести аналитический обзор существующих наиболее точных методов и СИ низкого абсолютного давления (включая национальные эталоны промыш-ленно развитых стран) и осуществить выбор направления работы;
разработать конструкцию, изготовить и испытать макет ИЖМ;
теоретически и экспериментально исследовать влияние молекулярных свойств рабочей жидкости на точность измерений давления ИЖМ;
провести исследование метрологических и технических характеристик макета ИЖМ с последующим анализом и оценкой результатов исследований.
Новизна результатов исследований.
1. Создан действующий макет лазерного интерференционного жидкост
ного манометра высшей точности, который является первой в истории отечест
венной метрологии разработкой, направленной на построение современного
эталона единицы давления для области низкого абсолютного давления, имею
щей положительные результаты.
Получен патент РФ на изобретение "Лазерный интерференционный масляный манометр".
Предложен и реализован новый метод уменьшения поверхностных колебаний рабочей жидкости в масляном ИЖМ с помощью поплавков - демпферов специальной конструкции, позволивший существенно снизить уровень составляющей погрешности измерений давления от влияния случайных вибраций и расширить диапазон измерений давления.
Впервые предложен и осуществлен метод определения составляющей погрешности измерений давления ИЖМ, обусловленной капиллярными явлениями, основанный на прямых измерениях кривизны поверхности рабочей жидкости с помощью оптического интерферометра.
С помощью разработанных алгоритмов и программ численного решения математической задачи о форме поверхности жидкости получена зависимость радиуса кривизны мениска от радиуса манометрической трубки ИЖМ, а также получено значение коэффициента поверхностного натяжения масла ВМ-1 по методу висящей капли.
6 Основные положения, выносимые на защиту.
Создан и исследован макет U-образного лазерного ИЖМ, позволивший доказать возможность разработки СИ давления высшей точности в диапазоне 5-1000 Па.
Создана и исследована специальная конструкция поплавков-демпферов для масляного манометра, снижающих уровень интерференционных шумов, связанных с вибрациями (от 2-3 до 0,01-0,03 интерференционной полосы), и уменьшающих влияние капиллярных явлений на погрешность ИЖМ.
3. Предложен и реализован новый вариант оптической схемы лазерного интерферометра, наиболее просто решающий задачу формирования квадратурных интерференционных сигналов и задачу уменьшения влияния излучения, возвращенного интерферометром, на работу лазера.
Предложен и осуществлен метод определения составляющей погрешности измерений давления ИЖМ, обусловленной капиллярными явлениями, основанный на прямых измерениях кривизны поверхности рабочей жидкости с помощью оптического интерферометра.
С помощью разработанной программы рассчитана зависимость кривизны мениска от радиуса трубок лазерного интерференционного манометра.
Разработан алгоритм и программа расчета для метода экспресс - анализа коэффициента поверхностного натяжения жидкости по геометрическим размерам висящей капли.
Личное участие автора в получении результатов научных исследований, изложенных в диссертации.
Автор диссертационной работы лично
- разработал проект и принимал участие в создании макета лазерного интерференционного масляного манометра (ИЖМ) высшей точности;
провел теоретическое исследование источников погрешности манометра и экспериментальное определение составляющей погрешности, связанной с капиллярными явлениями, предложенным им методом;
провел испытания разработанного ИЖМ, в том числе, во время международных сличений эталонов России и Республики Словакия;
провел измерение коэффициента поверхностного натяжения масла (рабочей жидкости ИЖМ) с помощью разработанной им методики;
в результате проведенных на ЭВМ расчетов получил форму мениска рабочей жидкости ИЖМ и зависимость радиуса его кривизны от диаметра манометрической трубки;
- исследовал метрологические характеристики макета ИЖМ.
Практическая значимость.
Результаты, полученные в работе, могут быть использованы при создании ГЭ и РЭ единицы давления нового поколения и компараторов давления с целью повышения уровня обеспечения единства измерений низкого абсолютного давления, а также при создании потокометрических вакуумных установок.
Разработка макета ИЖМ была включена на конкурсной основе в Программу важнейших прикладных научно-исследовательских, опытно-конструкторских, технологических работ ГНЦ РФ "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И. Менделеева" на 2001 -2003 гг., раздел 3.4, № ГР 01.2.001.07654 и № ГР 01.2002.03204 раздела "Исследования и разработки, выполняемые государственными научными центрами Российской Федерации" ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 гг.
Апробация работы.
Результаты работы были представлены на следующих конференциях и семинарах:
Четвертый международный семинар - совещание "Разработка, производство, применение и метрологическое обеспечение средств измерения давления и вакуума" 25-27 апреля 2000 г., Санкт- Петербург;
Вторая всероссийская научно-техническая конференция (Computer-Based Conference) "Методы и средства измерений". Октябрь 2000 г., Нижний Новгород;
- Третья всероссийская научно-техническая конференция (Computer-
Based Conference) "Методы и средства измерений". Август 2001 г., Нижний
Новгород;
Пятая всероссийская научно-техническая конференция (Computer-Based Conference) "Методы и средства измерений". Май 2002 г., Нижний Новгород;
Научно-технический семинар в PIE (Институт промышленной электроники). 20 февраля 2003г., г. Варшава, Польша;
Научно-технический семинар "Вакуумная техника и технология - 2003". Июнь 2003г., Санкт-Петербург;
Научно-технический семинар "Вакуумная техника и технология - 2004". Июнь 2004г., Санкт-Петербург;
Международный вакуумный конгресс (IVC-16). 28 июня-2 июля 2004г., Венеция, Италия;
Европейский вакуумный конгресс (EVC-9). 5-7 апреля 2005г., Париж, Франция.
Публикации.
Результаты работы изложены в 10-ти публикациях, получен патент на изобретение.
Структура и объем работы.
Абсолютные методы измерения давления
Основой эталонов, воспроизводящих единицу давления, должны являться СИ, реализующие абсолютный метод измерений. Так, в основу принципа действия Государственного первичного эталона единицы давления ГЭТ 23-79, который обеспечивает воспроизведение единицы давления в диапазоне (0,05 - 10) МПа, положен грузопоршевой метод измерений давления, основанный на теории неуплотненного поршня [15].
Действие U-образных жидкостных манометров основано на законах гидростатики - измеряемое давление определяется по высоте и удельному весу столба жидкости, уравновешивающего это давление. Принцип действия этих манометров, различные их конструкции, отсчетные устройства, погрешности измерений изложены, например, в [5,16-17]. Грузопоршневые [18-23, 30-31, 37-38] и жидкостные [23-29, 32-38] манометры широко применяются во всех метрологических центрах мира в качестве национальных эталонов единицы давления. В [39] описан интерференционный ртутный манометр, который создавался как основной отсчетный инструмент для применения совместно с эталонным газовым термометром, измеряющим термодинамические температуры ниже 273 К.
Грузопоршневые манометры характеризуются простотой конструкции поршневых пар, возможностью их транспортировки для проведения сличений, сравнительной простотой передачи размера единицы давления.
Жидкостные манометры требуют для точного воспроизведения единицы давления стационарных установок, термостатирования, применения виброзащитных фундаментов, демпфирующих устройств и не подлежат транспортировке. Однако, как показывают исследования, анализ и сравнение метрологических характеристик приборов, реализующих эти два абсолютных метода измерений [23, 29-30, 37-38], в области низкого и среднего абсолютного давления жидкостные манометры позволяют воспроизводить единицу давления с большей точностью. Наивысшей точности (в случае использования ртути в качестве рабочей жидкости) они достигают при абсолютных давлениях, близких к атмосферному. Относительная погрешность измерений таких давлений лучшими эталонными ртутными барометрами имеет порядок 10"6. Проведенный в [30] анализ показал, что относительная погрешность измерений давления в диапазоне 102 -s- 104 Па специально разработанным грузопоршневым манометром [31] составляет 10", в то время как погрешность ультразвукового жидкостного манометра имеет порядок 10 при измерении давлений 10 Па и 10" при больших давлениях.
Таким образом, в то время как в области избыточного давления [21-22, 40-41] национальными эталонами, как правило, являются грузопоршневые манометры, при создании национальных эталонов в области среднего и низкого абсолютного давления берут за основу гидростатический метод измерений давления [23, 27, 29, 37-38]. В международных сличениях с участием 13-ти лабораторий мира в диапазоне давлений (10 - 140) кПа [23] 19 национальных эталонов представляли собой ртутные манометры и только 3 - грузопоршневые манометры.
Жидкостные манометры и вакуумметры - это приборы, мерой давления в которых является разность высот столбов жидкости в коленах (трубках) манометра, сообщающихся между собой. заполненная жидкостью (рис.1.2-а). Одно из колен трубки присоединяется к камере с газом, давление Р которого необходимо измерить, в другом колене поддерживается известное опорное давление Р0. В случае открытого колена манометра давлением Р0 является атмосферное давление, в случае закрытого - любое другое давление, обычно - давление, пренебрежимо малое по сравнению с измеряемым. Последний вариант манометра (Ро « Р) предназначен для измерений абсолютного давления, при этом одно из колен манометра может находиться под непрерывной откачкой. Уравнение измерений U-образного жидкостного манометра имеет вид:
Жидкостные манометры: а - U-образный (двухтрубный) манометр; б - компрессионный манометр. U-образные жидкостные манометры давно применяются в качестве национальных эталонов единицы давления во многих странах мира. При этом для измерения разности уровней жидкости в коленах манометра в настоящее время применяются лазерно-интерференционный и ультразвуковой методы. Эти методы, как более точные, пришли на смену применяемому ранее визуальному методу. Так, в CSIRO (Австралия) [24] и в IMGC-CNR (Италия) [36] в качестве первичного эталона единицы давления используется лазерный интерференционный манометр, а в KRISS (Республика Корея) [27] и NIST (США) [35] - ультразвуковой интерференционный манометр.
Как правило, в U-образных манометрах в качестве рабочей жидкости применяется ртуть. Давление насыщенных паров ртути имеет значение порядка 10" Па (10" мм рт.ст.), что делает невозможным измерение давлений ниже 10 Па (10"1 мм рт.ст.) с погрешностью менее 1% и определяет нижний предел измерений ртутного U-образного манометра. Для расширения диапазона измерений эталонного жидкостного манометра в область более низкого давления в качестве рабочей жидкости вместо ртути используют масло [25, 27, 33-35], давление насыщенных паров которого имеет значение 10"5-гЮ"6Па.
Лазерные интерферометры в жидкостных манометрах
Применение лазерной интерферометрии к измерению разности уровней жидкости в манометрах требует рассмотрения ряда специфических вопросов. В отличие от схем с уголковыми отражателями, приведенных на рис. 2.1, 2.3, 2.4, здесь роль зеркал интерферометра играют свободные поверхности жидкости. При настройке интерферометра, когда пучки света перпендикулярны поверхностям, часть излучения обязательно возвращается в лазер. Даже при относительно малой интенсивности возвращенного излучения это может приводить к сильным нарушениям работы лазера и его схемы стабилизации. В схеме поляризационного лазерного интерферометра [69] (с идеальным поляризационным делителем света) этот эффект теоретически может быть исключен. В более простых схемах возможно компромиссное решение - небольшая разъюстировка схемы с необходимостью учета ее влияния на результат измерения [33].
Интерференционный жидкостный манометр чувствителен к вибрационным воздействиям со стороны опоры конструкции в гораздо большей степени, чем интерферометры с "твердотельными" отражателями. Вибрации порождают волны на поверхности жидкости, что приводит к шумам интерференционного сигнала, к снижению его контраста или даже к исчезновению интерференции в отдельные промежутки времени. Для уменьшения влияния вибрации в ртутных интерференционных манометрах применяют поплавки, оснащенные оптическим устройством для отражения света. В частности это может быть устройство типа "кошачий глаз" - линза, установленная так, что ее фокальная плоскость совпадает с поверхностью ртути [24]. Такая установка линзы в идеале возвращает свет параллельно падающему пучку независимо от малых флуктуации угла падения при колебаниях поверхности ртути. В масляных манометрах шумовые колебания поверхности значительно меньше из-за большей, чем у ртути, вязкости и меньшей плотности. Однако и в этом случае именно эти шумы определяют, как правило, чувствительность и погрешность измерений.
Измерение разности уровней поверхности жидкости лазерным интерферометром в простом варианте (рис.2.3, 2.4) носит динамический характер. То есть интерференционные полосы считаются в процессе установления уровней при напуске газа в измерительное колено. Статическая (уже существующая) разность уровней не может быть измерена с использованием только монохроматического излучения. Для этого существуют более сложные схемы, включающие интерферометры белого света [ 32, 39 ].
Как показал анализ литературы, метод лазерной интерферометрии в применении к жидкостным манометрам реализован в относительно небольшом количестве работ. Рассмотрим некоторые результаты трех из них, представляющих наибольший интерес.
Впервые лазерный интерферометр был применен в ртутном манометре, действующем в диапазоне до 105 Па [24]. Схема установки приведена на рис. 2.5. Манометрическая трубка 1 была изготовлена из нержавеющей стали и имела внутренний диаметр 40 мм. Источником излучения служил частотно - стабилизированный He-Ne лазер (А=632.9 нм) 2. Его линейно поляризованный пучок пропускался через четвертьволновую пластинку 3, приобретая круговую поляризацию. Поляризационный делитель 4 делил его на два пучка со взаимно ортогональными линейными поляризациями, которые, пройдя сквозь пару четвертьволновых пластин 5 снова превращались в циркулярно поляризованные. После отражения от поверхностей ртути в манометре и пройдя пластины 5, пучки приобретали линейные поляризации, перпендикулярные по отношению к своим исходным. Идея этой многоэлементной схемы состоит в том, что в идеале такие пучки не должны возвращаться в лазер делителем 4, а целиком направляться на регистрирующую часть схемы. Проходя еще через одну четвертьволновую пластинку 6, пучки поляризуются циркулярно в противоположных направлениях. Если их интенсивности равны друг другу, то в сумме они действуют как линейно поляризованный свет, в котором азимут колебаний линейно зависит от разности хода в интерферометре, то есть от измеряемого давления. Полупрозрачная пластинка 7 делит этот пучок на два, которые проходят через два поляризатора 8, ориентированные плоскостями пропускания под углом 45 друг с другом, и регистрируются фотоумножителями 9. В результате сигналы фотоумножителей имеют относительный сдвиг в четверть периода (квадратурный сигнал). Авторы отмечают, что из-за сильного отражения от поверхности ртути часть излучения возвращалась в лазер и нарушала работу схемы стабилизации, которую приходилось отключать на время измерений.
Для уменьшения влияния вибрации на интерференционную картину вся установка размещалась на стальной плите, лежащей на 5-тонном бетонном фундаменте, который, в свою очередь, покоился на воздушной подвеске. Эти меры обеспечили значение шума в 2-3 интерференционные полосы. Дальнейшее ослабление шумов было достигнуто применением специально разработанных поплавков 10 (рис.2.5).
Устройство сопряжения ИЖМ с ПЭВМ
Структурная и принципиальная схемы устройства сопряжения изображены на рис. 3.4 и 3.5. Обработка аналоговых сигналов с фотоприемников Л и J2 производится в каналах 1 и 2 следующим образом.
Аналоговые сигналы подаются на первые каскады схемы сопряжения Dl, D2- компараторы напряжения, собранные на микросхемах К554 САЗ. Когда напряжение сигнала достигает уровней срабатывания, которые устанавливаются с помощью делителей на резисторах, напряжение на выходе компараторов изменяется скачком от высокого уровня (логическая единица) до низкого (логический ноль) и обратно. Для предотвращения множественных (повторных) срабатываний компараторов ("дребезга"), которые неизбежны при наличии шумов в сигнале и малой скорости изменения напряжения на входе компараторов при медленном изменении сигнала, в схему введен гистерезис с помощью дополнительной обратной связи на резистивных делителях. При этом каждое переключение логического сигнала на выходе компараторов вызывает изменение уровня срабатывания на входе на несколько десятых долей вольта, что в значительной мере снижает вероятность "дребезга" схемы.
Логический сигнал первого канала используется для формирования счетных импульсов. Для этого он через инверторы D3.1-2 подается на два генератора импульсов D5. Генераторы построены на микросхеме К155ТМ2 -двойной D-триггер с RC- цепочкой обратной связи, задающей длительность импульсов. Счетные импульсы вырабатываются при положительном перепаде логического сигнала на входах генераторов. Поэтому применение инвертора и двух генераторов позволяет получить импульсы при скачках логического сигнала обоих направлений, то есть при каждом пересечении аналоговым сигналом Л уровня срабатывания компаратора. Длительность счетных импульсов составляет 2 мкс.
Прішципиапьная схема устройства сопряжения ИЖМ с ПЭВМ. Компаратор второго канала D2 и инверторы D4.1-2 формируют из аналогового сигнала J2 логические управляющие сигналы, которые поступают на схему распределения счетных импульсов D3.3-4, D4.3-4, D6. Так как фазы интерференционных сигналов в двух каналах интерферометра сдвинуты на четверть периода с помощью кварцевой фазовой пластинки, то счетные импульсы формируются только в промежутках между перепадами логического сигнала во втором канале. Схема распределения счетных импульсов служит для автоматического определения направления изменения оптической разности хода в интерферометре в каждый момент времени. Она построена на четырех логических элементах 2И-НЕ D3.3-4, D4.3-4 (К155ЛАЗ), объединенных по выходам в пары с помощью схем совпадения D6. Выходы последних соединены со входами прямого и обратного счета реверсивного счетчика D8, построенного на микросхеме К155ИЕ7 (счетчик до 15). При переполнении счетчика при прямом ( 15) и обратном счете ( 0) микросхема вырабатывает импульсы переноса, которые подаются на входы установки двух триггеров D9. Сигналы с информационных выходов счетчика и триггеров поступают в компьютер через разъем XI. Рис. 3.6. поясняет работу этой части схемы.
Аналоговые сигналы фотоприемников интерферометра Л и J2 а и д от начала графиков до момента t0 соответствуют монотонному изменению разности хода (пусть для определенности - роста). Точка t0 - момент поворота, после которого разность хода изменяется в обратном направлении. Из рисунка видно, что при t t0 управляющий логический сигнал е имеет высокий уровень в моменты появления счетных импульсов в и низкий -когда появляются импульсы г. При этом коммутатор направляет все счетные импульсы на вход прямого счета микросхемы счетчика и не допускает их прохождения в канал обратного счета. После момента t0, как видно из рисунка, меняются фазовые соотношения между управляющими сигналами и счетными импульсами, и последние направляются в канал обратного счета. Л
Формирование счетных импульсов из выходного сигнала интерферометра. Следует отметить, что при возникновении дребезга сигнала в первом канале, когда генераторы вырабатывают случайные неконтролируемые "пачки" счетных импульсов, управляющий сигнал сохраняет свою фазу (логические 0 или 1). Поэтому счетные импульсы последовательно идут в каналы прямого и обратного счета, не изменяя общего числа зарегистрированных импульсов. Дребезг в канале управляющих импульсов вообще не влияет на счет, так как в это время счетные импульсы в первом канале не формируются.
Реверсивный счетчик импульсов построен на микросхеме К155ИЕ7, работающей в непрерывном взаимодействии с ПЭВМ. Это взаимодействие осуществляется по специально разработанному алгоритму и программе через параллельный принтерный порт компьютера, имеющий внутренний базовый адрес 378h (в шестнадцатиричном представлении) и работающий в режиме приема. При этом четыре информационных выхода счетчика соединены со входными цепями порта и считываются программно по адресу 378h. Импульсы переноса при прямом и обратном счете устанавливают триггеры К155ТМ2, состояние которых отслеживается компьютером по адресу 379h. Сброс счетчика и триггеров производится программно посылкой короткого импульса по адресу 37Ah. Такое устройство позволяет, используя одну микросхему счетчика до 15 (К155ИЕ7), производить счет практически неограниченного числа импульсов, следующих с относительно высокой частотой (до 10 кГц), и выводить информацию на монитор компьютера в желаемой форме.
Экспериментальное определение кривизны свободной поверхности масла в манометре
Как обсуждалось в гл. 2, погрешность измерений давления, вносимая капиллярными явлениями, определяется не самой кривизной менисков жидкости в манометре, а ее возможными изменениями в процессе напуска газа. Эти изменения связаны с непостоянством краевого угла при перемещениях менисков, который определяется локальными свойствами смачиваемости, и не могут быть оценены теоретически. Для их экспериментального изучения была собрана интерферометрическая установка, схема которой изображена на рис. 4.3. Пучок света, выходящий из лазера 1, коллимировался телескопической системой 2 до диаметра приблизительно 5 мм и расщеплялся на два пучка оптическим делительным кубом 3, установленным над одним из колен манометра 4. После отражения от поверхости масла и от плоской стеклянной пластинки 5 пучки направлялись кубом вертикально вверх и, проходя через линзу 6, попадали на светочувствительную матрицу видеокамеры 7, которая передавала полученную интерференционную картину на ПЭВМ 8.
Картина имела вид концентрических колец, так как интерферировали волны с плоским (от пластины 5) и сферическим (от мениска) фронтами. Оптическая сила линзы подбиралась такой (8 дптр), что на матрице видеокамеры получалось резкое изображение поверхности масла. Поэтому по виду интерференционной картины можно было судить о кривизне поверхности масла. Ввиду аналогии оптической схемы со схемой наблюдения колец Ньютона [72], диаметры колец описываются следующей формулой: dm - диаметр m -го кольца. Эксперимент состоял в следующем. Съемка интерференционной картины производилась при 5-ти различных значениях давления в колене манометра. Из полученных видеозаписей было выбрано 10 кадров (по 2 кадра для каждого значения давления), на каждом из которых измерялись диаметры 9-ти интерференционных колец. Один из 10-ти кадров представлен на рис. 4.4. Из формулы (4.10) следует, что квадрат диаметра кольца является линейной функцией его номера, коэффициент пропорциональности в которой напрямую определяется радиусом кривизны мениска. Методом наименьших квадратов рассчитывалось значение этого коэффициента для каждого кадра. По десяти полученным значениям было
Полученное значение радиуса кривизны мениска хорошо согласуется с результатом теоретического расчета (рис. 4.2-6). А значение СКО позволяет утверждать, что если в процессе измерения давления (перемещения поплавков) радиус кривизны мениска изменяется, то эти изменения составляют не более 2,75 % от его значения [84]. Предложенный подход к оценке составляющей погрешности ИЖМ, обусловленной капиллярными явлениями, снимает вопрос о возможном гистерезисе, так как он напрямую связан с флуктуациями радиуса кривизны менисков.
Этот результат будет учтен при вычислении случайной составляющей погрешности разработанного ИЖМ, связанной с капиллярными явлениями. Эксперименты, предлагаемые с целью исследований зависимости плотности масла от количества растворенного в нем воздуха и его сжимаемости
Исследование зависимости плотности масла от количества растворенного в нем воздуха целесообразно провести на этапе экспериментальных исследований опытного образца ИЖМ, оснащенного более совершенной системой создания и поддержания низкого абсолютного давления. При этом могут быть использованы экспериментальные методы, предложенные в настоящей работе. Идею предполагаемого эксперимента иллюстрирует рис. 4.5.
В цилиндрические сосуды 1 и 2, по конструкции подобные коленам манометра, наливается масло, масса которого m и объем V должны быть предварительно измерены. Сосуды закрыты сверху вакуум-плотно плоскопараллельными окошками из оптического стекла. Сосуд 2 соединен с дополнительным сосудом 3, снабженным манометром 4 с диапазоном измеряемых давлений до атмосферного, и вакуумным вентилем 5. Общий объем этой части установки Vo должен быть предварительно измерен. Путем откачки через вентиль 5 масло в сосуде 2 тщательно обезгаживается, а затем сосуд 3 наполняется воздухом при атмосферном давлении и изолируется от атмосферы с помощью вентиля. По мере поглощения воздуха маслом производится измерение давления газа над маслом в сосуде 2, что дает возможность определить массу поглощенного воздуха Am, используя закон Менделеева-Клапейрона:
