Введение к работе
І. І.І. Актуальность проблемы.
Измерение давления с нормированной погрешностью является обязательным условием многих технологических процессов и экспериментальных исследований. По количеству приборы для измерения давления уступают лишь приборам для измерения температуры.
Наиболее распространены рабочие средства измерения давления (РСМД) классов точности 0,6 и более. Именно для обеспечения правильности их показаний существует сложная метрологическая надстройка, состоящая из нескольких разрядов образцовых приборов и эталонов.
Существует потребность и в измерения давлений с очень малой погрешностью, соответствующей имеющимся государственным эталонам, и даже меньшей (иногда, на порядок). Такая ситуация характерна для различных областей давления: при высокоточном поддержании давлений порядка I ГПа-1,6 ГПа удается синтезировать Полимеры с плотностью воды и прочностью легироввншх сталей, вещества с высокотемпературной сверхпроводимостью; при статических давлениях в десятки мегапаскалей и точном поддержании малой разности давлений обеспечивается значительное повышение производительности некоторых молекулярных фильтров; высокая точность измерения малой разности давлений при статических давлениях до десятков" мегапаскалей требуется для нукд расходометрии; высокоточные измерения давлений, исчисляемых единицами МПа и менее, трэбуются для нукд термометрии и для измерения высоты полета самолетов.
Выполненный автором анализ [I] действующей системы обеспечения единства и правильности измерения избыточных давлений, являющейся составной частью экономики страны, показал, что эта' система далека
от совершенства. С одной стороны, она не обеспечивает требуемой точности аттестации високоточних рабочих средств измерения давления, с другой стороны, она слишком громоздка для широко распространенных средств измерения давления обычной точности. При этом она является неустойчивой на эталонном уровне как в материальном, так и в кадровом отношении. Выход из строя эталона или его ученого хранителя может надолго подорвать единство измерения в стране.
Недостатки системы обусловлены, в первую очередь, состоянием грузопоршневой манометрии, поскольку именно на грузопоршневом принципе основаны все эталоны единицы давления и абсолютное большинство образцовых приборов в обсуждаемой области давления.
Являясь основой материальной базы системы обеспечения правильности измерения давлений на различных уровнях точности от эталонов до последних разрядов образцовых приборов, отечественные грузопорш-невые манометры не имеет нормированных параметров надежности, не отвечаю? современным требованиям экономики и эргономики, работа с многими из них наносит ущерб здоровью операторов-поверителей.
Не всегда удовлетворяют требования по точности перспективных экспериментальных исследований и технологических процессов сами эталонные приборы, хотя по принципиальным оценкам имеется значительный резерв повышения точности. Так государственный первичный эталон единицы давления уступает по неисключенной систематической погрешности почти порядок лучшим ртутным манометрам [2,3,4,], при этом анализ основных источников неисключенной систематической погрешности методов дает соотношние 2:3 в пользу грузопоршневых маномэтров - (погрешность грузопоршневого прибора определяется,
прежде всего, погрешностью эффективной площади бЭэф, имеющей
размерность I, , соответственно бр = 26L; погрешность ртутного
манометра определяется погрешностью плотности ртути, которая измеряется при погружении в нее тела известного объема, таким образом dp > 36L). За рубежом различие погрешностей лучших груза-
поршневых и ртутных мер давления существенно меньше, и соответствующее отношение погрешностей достигает 5:4 [5,6]. Применяемые методы и средства аттестации исходных приборов п поверки вторичных имеют малую производительность, не обеспечивают достаточной объективности получаемых результатов.
В последние годи остро встал вопрос обеспечения выполнения поверок (аттестаций) вторичных грузопоршневых манометров на местах их применения. В первую очередь это касается грузопоршневых манометров высокого давления, поскольку не все из них транспортируемы. Повышенный интерес к высокоточному измерению высоких давлений во всем мире привел к постановке на международном уровне проблемы создания возимого эталона сравнения для этой области, проведены первые сличения национальных эталонов единицы давления под эгидой МКМВ. Однако работа в этом направлении практически застопорилась из-за отсутствия малогабаритного возимого грузопоршневого эталона сравнения. В результате страдает научно-техническое международное сотрудничество в областях, связанных с применением высоких давлений, так как единство измерений на должном уровне не обеспечивается.
Практически невозможно в настоящее время обеспечить единство измерения малых, разностей давления при повышенных статических давлениях. Здесь нет нэ только эталонных, но даже образцовых приборов, в результате страдает расходометрия на магистральных трубопроводах, страна несет убытки при расчетах за' экспортные поставки нефтепродуктов.
1.2. Цель работы.
Разработать теоретические модели, основы конструирования, технологии, методы метрологической аттестации и рационального применения грузопоришевых манометров избыточного давления, систему обеспечения единства и правильности измерения избыточных давлений
- 6 -манометрами, обеспечивающие перспективные требования по точности, устойчивости, экономичности с . учетом реальных возможностей народного хозяйства.
1.3. Состояние вопроса и основные направления исследований
1.3.1. Теория грузопоршневых манометров, созданная M.K.JEo-ховским [7] для цилиндрических деформируемых поршневых пар, и доработанная затем В.В.Бахваловой (8,9] для нацшшндрических пар, базируется на точном решении модельной гидродинамической задачи. 'Поскольку полная система дифференциальных уравнений, описывающих работу; грузопоршневого манометра не поддается решению в радикалах, задача упрощалась на стадии постановки так, что в конечном счете она была приведена к классическим задачам гидродинамики, не учитывавшим специфику работы грузопоршневых манометров, особенно в области высокого давления. Полученные решения распространялись на реальные приборы, при этом степень приближенности решений оценить было практически невозможно; кроме.того, ряд факторов не учитывался (например сжимаемость жидкостей, их теплофйзические и реологические параметры, взсоосность поршня с цилиндром). Это не позволяло выполнить достаточно надежно оценку неисключенной систематической составляющей погрешности прибора, предназначенного для аттестации в качестве государственного специального эталона единицы давления на область высоких давлений.
Недостатки теоретической модели не позволяли определить оптимальные геометрические параметры стальных поршневых пар высоко-го давления выпускавшихся- серийно грузопоршневых манометров Еысокого давления М0П-Х000О и М0П-ІБО0О, в результате трудоемкость Их изготовления была чрезвычайно высокой, до 90 Ж тгротедших почти полный технологический цикл заготовок поршневых пар уходило в брак. Отсутствовали основы проектирования измерительных мультишш-
- 7 -каторов, технология их изготовления полностью определялась личным опытом слесаря, занятого на этих работах. В результате эксплуатационные свойства грузопорпшевых манометров высокого давления оказывались весьма низкими.
Крайне затруднены были сличения грузопорпшевых манометров между собой, причем как в области высоких давлений, так и в области средних давлений, если требовалось получить результат сличения с погрешностью менее 0,01 %. Сами результаты сличений существенно зависели от того, каким оператором они были получены. Для получения более надежных результатов приходилось применять специальные методики, уменьшающие влияние неумышленной подгонки. В итоге для сличения двух поршневых пар из состава госэталона высокого давления требовалась работа двух операторов в течение четырех месяцев.
За. рубежом в грузопоршневой манометрии используются два основных направления развития. Первое реализует принцип контролируемого зазора [10-19], сущность которого заключается в уменьшении (при помощи регулируемого противодавления на цилиндр) зазора в порішевой паре с очень коротким рабочим участком канала до очень малых величин. Аппаратурно громоздкий, этот метод позволяет без применения теоретической гидродинамики получать сравнительно небольшие погрешности аттестации поршневых пар, однако отсутствие теоретической базы не позволяет реализовывагь на его основе наиболее точные приборы. Второе направление использует длинные поршневые пары и основано как раз на гидродинамических моделях поршневых пар.
Необходимость в развитии теоретических моделей длинных поршневых пар высокого давления за рубежом до последнего времени была существенно меньше, чем в нашей стране из-за 'того, что там легко реализуются поршневые пары из карбида вольфрама (имеющий втрое больше модуль Юнга, чем сталь), не требующие применения
- о -
противодавления [20,21], а имеющееся технологическое оборудование позволяет выполнять поршневые пары с высокими параметрами нецилиндричности [22].
Наиболее полно теоретические основы грузопоршнеьой манометрии за рубежом'изложены в пятитомнике НФЛ (Великобритания) [23]. В этой монографии приведены и выражения, позволяющие учитывать как деформацию, так и начальную нецилиндричность поршневых пар, но последнее - без вывода и соответствующих ссылок на первоисточник (им по праву должна быть одна из работ В.В.Бахваловой). Отставание в теории в некоторых случаях приводит к неправильному применению полученных выражений для поправок. Так в [24] имеющаяся нецилиндричность номинально цилиндричных поршневых пар была учтена неполностью, что їгривело к существенному расхождению размера воспроизводимых дапвлений при сличениях ртутного и грузопоршневого эталонов единицы давления. Имеющиеся теоретические представления также не дают возможности осознать причину экспериментально обнаруженного в последнее время непостоянства эффективной площади поршневых пар с газовой смазкой при работе в режиме воспроизведения абсолютных давлений с использованием различных газов [25,26], что не позволяет в полной мере реализовывать доступную точность линейных измерений при аттестации эталонных поршневых пар.
В нашей стране вольфрам очень дефицитен, практически не имеется технологического оборудования для получения беспористых заготовок, так что для воспроизведения высоких давлений мы вынуждены применять заведомо нецилиндричные стальные поршневые пары с противодавлением, соответственно совершенствовать теоретические модели таких поршневых пар. Технологические сложности не позволяют получить желаемые отклонения от цилиндричности для поршневых пар среднего и малого давлений, что "лять-таки требует дополнительных теоретических и методических
— о —
проработок. До последнего времени не удавалось создавать поршневые-пары, работающие на газе, соответственно этот раздел теории грузопоршневых манометров не разрабатывался.
1.4. Научная новизна.
1. Созданы новые теоретические модели грузопоршневых манометров'избыточного давления. В отличие от существовавших, данные модели позволяют оценивать погрешность получаемых расчетных соотношений, охватывают более широкий круг физических явлений, происходящих в грузопоршневых манометрах при различных режимах работы.При этом впервые учтено влияние на воспроизводимое давление сжимаемости рабочей среды (жидкости или газа), ее реологических и теп-лофизических свойств, уточнена картина переходных процессов, сопровождающих работу грузопоршневых манометров. Разработанные модели позволяют проводить экспериментальную проверку расчетных соотношений. Разработана более полная теоретическая модель поршневой пары Бридкмена (пары с противодавлением), позволившая определить оптимальный профиль канала цилиндра и таким образом на порядок снизить трудоемкость изготовления этих пар при одновременном существенном улучшении их параметров (в частности, впервые удалось создать стальные поршневые пары с очень малым баричеcram изменением эффективной площади - до 0,02 % при давлении-1,6 ГПа).
Создана теоретическая модель измерительного мультипликатора, позволившая рассчитать допустимое смещение осей входящих в него поршневых пар, определить направление совершенствования конструкции измерительных мультипликаторов и поршневых пар с целью получения лучших параметров соосности элементов поршневых пар, создания многопредельных измерительных мультипликаторов.
2. Впервые разработаны основы конструирования и технологии изготовления грузопоршневых манометров с высокими параметрами эко-
номичности и гарантированными параметрами надежности.
Разработаны технические решения, позволившие существенно уменьшить массу гидравлических элементов высокого давления, впервые ре-реально удовлетворить требования техники безопасности при сборке и ремонте установок высокого давления, а также создать не имеющий аналогов портативный грузопоршневой эталон сравнения высокого давления, что дало возможность проводить международные сличения эталонов высокого давления и выполнять периодическую поверку нетранспортабельных образцовых средств измерения высокого давления.
-
Разработаны доступные многим органам государственной и ведомственных метрологических служб высокопроизводительные методы и аппаратура для независимой метрологической аттестации эталонных грузопоршневых мер избыточного давления с погрешностью меньше, чем у существующих государственных эталонов, что позволяет обеспечить в будущем доступность эталонов избыточного давления потребителям, нуждающимся в высокоточных измерениях.
-
Разработаны высокоэкономичные методы экспрессной метрологической экспертизы вторичных грузопоршневых манометров на местах их эксплуатации, без сличения с приборами высших разрядов, а также высокопроизводительные методы и автоматизированная аппаратура
—fi
для сличений грузопоршневых манометров с погрешностью до 1*10 ,. '
5. Разработана перспективная модель системы обеспечения един
ства и правильности измерений избыточных давлений с учетом реаль
ного распределения рабочих средств измерения по классам точности и
верхним пределам измерений, базирующаяся на новых методических и
техническиг. разработках, позволяющая в десятки раз снизить затраты
на поддержание единства измерения кЛданной области.
1.5. Внедрение результатов работ.
I.5.I. Разработанные теоретические модели, аппаратура и мето-
да экспериментального исследования грузопсрсчевч/. чнни'атоо" оке с. -кого давления применены для аттестации госудаоственного спеииаль-ного эталона единицы давления на диапазон давленні! "50 - '500 :С1а (ГЭТ 43-73 і.
1.5.2. Разработана методика поверки образцовых грузопорпчевнт
манометров с измерительным мультипликатором f.'M іг>а-~"
1.5.3. Созданы-.
рабочий эталон единицы давления на диапазон 0.1 - 1.6 Г'Па ФЭ7 '43-1-80), действует во ВНИИОТРИ,
военный эталон единицы давления на диапазон 0,025 - 250 М>. (ВЭ-34).
образцовые многопредельные -измерительные мультипликаторы '/ЛИ с поршневыми парами Бриджмена на диапазоны воспроизводимых давлений с верхними пределами 0,25, 0,6, 1 и 1,6 ГПа классов точности 0,1 и 0,2, вошедшие в состав поверочных установок УГВД-Ш (ТУ 50-354-83-ЛУ); установки впервые для аппаратуры высокого давления имеют гарантированные параметры надежности, а межремонтный технический ресурс измерительных мультипликаторов соответствует сроку службы 20 лет (для предшествующих приборов МОП-15000 он составлял десятки часов) расширенный благодаря многопредельности MTW диапазон воспроизводимых давлений позволил существенно повысить коэффициент использования установки и соответственно сни -зить стоимость поверки одного прибора на установке; подлинники конструкторской документации переданы Киевскому заводу "Эталон". изготовленные установки применяются в МЦСМ, НПО "Энергия", ВНИ ИФГРИ, в настоящее время 03 ВНИИФГРИ изготавливает такую уста новку для МПО "Манометр",
- портативный многопредельный измерительный мультипликатор эталон
ного класса Мультибар с поршневыми парами высокого давления на
диапазоны воспроизводимых давлений с верхними пределами 60, 250,
600 и 1200 МПа: благодаря малой массе (8 кг, то есть на порядок
меньше, чем у существующих .аналогов) такие приборы находят при-
-)2-менение прежде всего в качестве возимого эталона сравнения, для образцовых приборов этого типа характерны малые затраты на периодическую поверку; благодаря применению Мультибара впервые в мировой практике были выполнены международные сличения эталонов высокого давления (до 600 МПа) с высокой точностью? а также выполнена поверка на месте эксплуатации (НТИИМ, Нижний Тагил) нетранспортабельных грузопоршневых манометров высокого давления фирмы Буденберг (Великобритания) с верхним пределом воспроизводимых давлений 800 МПа; приборы Мультибар нашли применение в ведомственных метрологических службах МГУ им. Ломоносова и НПО "Энергия",
многопредельная мера давления - измерительный мультипликатор "Мультибар-С с диапазоном воспроизводимых давлений 5 кПа -1,2 ГПа и массой 3 кг, совмещающая достоинства Мультибара и, кроме того, пригодная для независимой метрологической аттестации на месте эксплуатации с погрешностью порядка 0,0006 % в области давлений до 250 МПа, а в области более высоких давлений - 0,05 % (на уровне действующего рабочего эталона), приборы этого типа применяются, кроме ВЖИФТРИ, во ВНИИМСе, ИЭМ РАНФ, НТИИМ (Нижний тагил), НИИФМ (Пенза),
многопредельная мера давления - измерительный мультипликатор "Мультибар-Л", воспроизводящий высокие давления без аддитивной добавки, обусловленной весом поршней низкого и высокого давления, (впервые измерительный мультипликатор предназначен для работы с. горизонтальным расположением оси), класс точности 0,02, масса 2,5 кг, применяются в составе автоматических поверочных установок' АЗДГ- 2500 (автор разработки к.т.н. А.М.Кипнис, ВНИИМС), - методика и комплект аппаратуры для независимой метрологической аттестации эталонных грузопоршневых манометров с погрешностью, соответствующей лучшим национальным эталонам единицы давления, то есть порядка, единиц шестого знака; применяются во ВНИИФГРИ, .электронные приборы Уровень и Бар-баланс для прямого сличения
-\ь-
ния грузопоршневых манометров среднего давления, впервые пеэпизу-юіцие автоматический режим сличения, они применяются во ВНИИФТРИ и в составе военного эталона БЗ-34, четыре таких прибере непгг-тавливаотся для оснащения ведомственных метрологических елуг:: МПО "Манометр" и РАН,
высокопроизводительный комплекс аппаратуры для сличения гр.\'я'; поршневых манометров высокого давления дифманометрическим і^т"> дом с погрешностью сличения менее 1 кПа.
-
Проведены международные сличения эталонов ізиссгег-'' давления до 0.6 ГПа под руководством СССР и при участии ГДР и РНр результаты сличения одобрены Рабочей группой МКМЗ.
-
Разработанные технологические процессы внедрены на }}'> нецком заводе "Эталон" и МПО "Манометр".
1.6. Апробация работы.
1.6.1. Материалы диссертации докладывались-, на 1 Всесоюзне»/ совещании по физике и технике высокого давления в г. Донецке р 1973 г., на V международном симпозиуме по физике и технике высоко го давления в Москве в 1975 г.*, на Международном симпозиуме по метрологии "Инсимет-82" в Братиславе, на международной конференции "Высокие давления в науке и технике" в [Сиеве в 1989 г., на Рабочее группе по высоким давлениям МКШ в Париже в 1989 г.. на Всеакадр-мической школе по проблемам метрологического обеспечения и стан дартизации в 1990 г. в Москве.
Выполнены сличения созданных и аттестованных грузопоршневых манометров с государственным первичным эталоном единицы давления СССР при давлениях до 600 кПа, с национальными эталонами ряда стран через эталон сравнения МКМВ при давлениях ло 100 МПа [271, с национальными ягалопчип единицы давления стран восточно-европейского региона чгп n'V'jT'-nni'y до 610 МПа Г?П]. Через репер давления -Фпзгц'к'й п>-''рі"'Ч'..'Л ptym при п'с прг'Н"Д''іік '".икч^ния госудзретренно-
-14-го агалона высокого давления СССР с национальными шкалами давления других стран [29]. Рабочая группа по высоким давлениям МШВ на заседании в мае 1991 г. в результате рассмотрения представленных материалов сочла возможным использовать разработанный автором прибор Мультибар-С в качестве эталона сравнения в предстоящих межрегиональных сличениях национальных эталонов единицы давления в диапазоне давлений до 1 ГПа [30].
1.7. Публикации.
1.7.1. Основное содержание диссертации изложено в 28 опубликованных научных трудах автора. Результаты работы включены в отчеты и бюллетени Международного Комитета Map и Весов, в труды международных конференций и симиозиумов.
2. К зашите выносятся следующие положения.
2.1. Разработанные новые теоретические модели грузолоршневых
манометров более полно, чем предшествующие, учитывают особенности
работы этих приборов и позволяют рассчитывать воспроизводимые ими
давления с погрешностью до (h/г), где h - радиальный зазор, а г -
радиус поршневой пары.
2.2. Разработанные методы и аппаратура для метрологической
аттестации эталонных грузопоршневых манометров позволяют в нес
колько раз снизить неисключенную систематическую погрешность эта
лонов единицы давления, методы и аппаратура сличения груэопоршне-
вых манометров позволяют сличать эталоны и образцовые приборы с
погрешностью до 0,0001 % при средних давлениях и до 0,001 % при
высоких давлениях, при этом более чем на порядок повышена произво
дительность.
2.3. Выявлены глчЕ-.ные факторы, определяющие параметры точ
ности, нал«кнооти и экономичности Г'рузопсршневых манометров на
-15-стадиях изготовления, аттестации и эксплуатации, разработанные основы рационального проектирования и технологии позволяют существен-? но улучшить отечественные грузопоршневые манометры.
2.4. Реализация научно-технических решений данной работа позволяет создать в будущем перспективную экономичную систему обеспечения единства и правильности измерения избыточных гидростатических давлений, обладающую повышенной устойчивостью эталонной базы и обеспечивающую доступность потребителям высокоточных измерении эталонного уровня точности.
-ie~
