[go: up one dir, main page]

RU2749644C1 - Method for measuring low absolute gas pressure and device for its implementation - Google Patents

Method for measuring low absolute gas pressure and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2749644C1
RU2749644C1 RU2020138456A RU2020138456A RU2749644C1 RU 2749644 C1 RU2749644 C1 RU 2749644C1 RU 2020138456 A RU2020138456 A RU 2020138456A RU 2020138456 A RU2020138456 A RU 2020138456A RU 2749644 C1 RU2749644 C1 RU 2749644C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
oscillator
plate
measuring
gas
self
Prior art date
Application number
RU2020138456A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Рустам Эгамбердыевич Кувандыков
Александр Александрович Чернышенко
Роман Анатольевич Тетерук
Владимир Николаевич Горобей
Александр Яковлевич Гаршин
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева"
Priority to RU2020138456A priority Critical patent/RU2749644C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2749644C1 publication Critical patent/RU2749644C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L21/00Vacuum gauges
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L7/00Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements
    • G01L7/02Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges
    • G01L7/06Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges of the bellows type

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measuring equipment and can be used to measure low absolute pressure of gas or gas mixtures. In the proposed method for measuring low absolute gas pressure, mechanical self-oscillations of given amplitude of a thin oscillator plate mounted on an elastic mechanical suspension are created in a plane-parallel plane with a given gap between two other fixed plates, the natural frequency of self-oscillations of the oscillator plate is measured once in the maximum achievable vacuum. Then the space in the gaps between the plates is filled with the measured gas and the self-oscillation frequency of the oscillator plate is measured, the pressure of the gas under study is calculated from the measured values of the self-oscillation natural frequency of the oscillator plate. Moreover, the measurement of the natural frequency of self-oscillations is performed by measuring the instantaneous values of the electrical capacitance formed between the oscillator plate and one of the fixed plates. In this case, the frequency of change in electrical capacitance is taken to be equal to the natural frequency of self-oscillations of the oscillator plate. The device that implements the method contains an oscillator plate, two flat electrodes, voltage source, unit for measuring the position of the oscillator plate, a control unit and a frequency meter. In this case, the plate-oscillator and two flat electrodes are simultaneously connected to the unit for measuring the position of the plate-oscillator and to a voltage source, which is controlled by the control unit in proportion to the signals coming from the unit for measuring the position of the plate-oscillator, and the frequency meter is connected to the control unit.
EFFECT: invention increases accuracy of measurements, expanding functionality and reducing the duration of measurements.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения низкого абсолютного давления газа или газовых смесей.The invention relates to measuring equipment and can be used to measure low absolute pressure of gas or gas mixtures.

На современном уровне развития науки и техники известны следующие технические решения, близкие по своей сути к предлагаемому.At the present level of development of science and technology, the following technical solutions are known, which are close in essence to the proposed one.

Известен способ измерения вакуума, который заключается в том, что измеряют силу трения скольжения между двумя подвижными друг относительно друга объектами, помещенными в исследуемый объем, при заданных скорости скольжения и контактной нагрузке, и на основании измеренной силы трения определяют коэффициент трения скольжения между данными объектами, при этом искомый коэффициент покрытия определяют по предварительно построенному тарировочному графику изменения зависимости покрытия поверхностей трения объектов, обращенных в вакуум, от коэффициента трения скольжения между данными объектами, а давление остаточного газа в вакуумном объеме определяют расчетным путем на основании определенного по тарировочного графика коэффициента покрытия (патент на изобретение РФ №2316744, МПК G01L 21/24, опубл. 10.02.2008, БИ №4). Недостаток способа - относительно высокая погрешность измерений, обусловленная погрешностью определения тарировочной зависимости коэффициента покрытия поверхностей от коэффициента трения скольжения используемых объектов.There is a known method for measuring vacuum, which consists in measuring the sliding friction force between two objects moving relative to each other, placed in the investigated volume, at a given sliding speed and contact load, and based on the measured friction force, the sliding friction coefficient between these objects is determined, in this case, the desired coverage coefficient is determined according to a previously constructed calibration schedule for changing the dependence of the coating of the friction surfaces of objects exposed to vacuum on the sliding friction coefficient between these objects, and the residual gas pressure in the vacuum volume is determined by calculation based on the coverage coefficient determined from the calibration schedule (patent for the invention of the Russian Federation No. 2316744, IPC G01L 21/24, publ. 10.02.2008, BI No. 4). The disadvantage of this method is a relatively high measurement error due to the error in determining the calibration dependence of the surface coverage coefficient on the sliding friction coefficient of the objects used.

Известны компрессионные вакуумметры, принцип действия которых основан на законе Бойля-Мариотта, в частности - вакуумметр Мак-Леода, в котором величину остаточного давления измеряют косвенным способом по высоте столба рабочей жидкости в измерительном резервуаре, состоящий из измерительных капилляров, баллона и резервуара с ртутью (Болтон У. Карманный справочник инженера-метролога. - М.: Додэка-ХХ1, 2002, с. 332-334). Для данных вакуумметров характерны большая длительность и трудоемкость операции измерения, громоздкость и хрупкость конструкции, токсичность рабочей жидкости-ртути.Known compression vacuum gauges, the principle of which is based on the Boyle-Mariotte law, in particular - the McLeod vacuum gauge, in which the residual pressure is measured indirectly along the height of the working fluid column in the measuring tank, consisting of measuring capillaries, a cylinder and a reservoir with mercury ( Bolton W. Pocket guide of the engineer-metrologist. - M .: Dodeka-XX1, 2002, pp. 332-334). These vacuum gauges are characterized by the long duration and laboriousness of the measurement operation, the bulkiness and fragility of the structure, and the toxicity of the working fluid-mercury.

Известны манометрические термопарные преобразователи, предназначенные для измерения давления газа путем измерения параметров теплового переноса (теплопроводности газа), состоящие из измерительной камеры, подогревателя и термопары, которые размещены в измерительной камере (Эшбах Г.Л. Практические сведения по вакуумной технике. - М.-Л.: Энергия, 1966, С. 105-110). Ввиду неидеальной адекватности физико-математической модели, связывающей теплопроводность газа с его давлением, измерения такого рода неточны и характеризуются высокой погрешностью, которая достигает значения 30% и более.Known manometric thermocouple converters designed to measure gas pressure by measuring the parameters of thermal transfer (thermal conductivity of gas), consisting of a measuring chamber, a heater and a thermocouple, which are located in the measuring chamber (Eshbakh G.L. Practical information on vacuum technology. - M.- L .: Energy, 1966, pp. 105-110). In view of the imperfect adequacy of the physical and mathematical model linking the thermal conductivity of a gas with its pressure, measurements of this kind are inaccurate and are characterized by a high error, which reaches a value of 30% or more.

Известны также конструкции преобразователей давления, содержащие измерительную и образцовую камеры, разделенные упругим чувствительным элементом-мембраной, при этом давление в образцовой камере поддерживается отдельной системой откачки (Розанов Л.Н. Вакуумное технологическое оборудование. Санкт-Петербург: Изд. Политехнического Университета, 2012, с. 176).Also known are the designs of pressure transducers containing a measuring and sample chambers, separated by an elastic sensitive element-membrane, while the pressure in the sample chamber is maintained by a separate pumping system (Rozanov L.N. Vacuum technological equipment. St. Petersburg: Publishing house of the Polytechnic University, 2012, p. 176).

Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству являются вязкостный способ измерения вакуума, который основан на измерении силы сопротивления со стороны газа движущемуся телу, и как устройство реализовано в виде вязкостного вакуумметра, содержащего колеблющийся чувствительный элемент (Tenholte D., Kurth S., Gebner Т., Dotzel W. A MEMS friction gauge suitable for high temperature measure. Sensor and actuators 2008 P. 166-172).The closest to the proposed method and device is a viscous method for measuring vacuum, which is based on measuring the resistance force from the gas side to a moving body, and how the device is implemented in the form of a viscous vacuum gauge containing an oscillating sensing element (Tenholte D., Kurth S., Gebner T. , Dotzel W. A MEMS friction gauge suitable for high temperature measure. Sensor and actuators 2008 P. 166-172).

Общими недостатками известных способов и устройств, включая прототип, являются: зависимость результата измерений от рода газа, его температуры, необходимость применения отдельной системы откачки для создания образцового давления.The general disadvantages of the known methods and devices, including the prototype, are: the dependence of the measurement result on the type of gas, its temperature, the need to use a separate pumping system to create an exemplary pressure.

Цель изобретения - повышение точности измерений, расширение функциональных возможностей и уменьшение длительности процесса измерений.The purpose of the invention is to improve the accuracy of measurements, expand functionality and reduce the duration of the measurement process.

Указанная цель достигается за счет того, что в предлагаемом способе измерения низкого абсолютного давления газа создают механические автоколебания заданной амплитуды тонкой пластины-осциллятора, установленной на упругом механическом подвесе плоскопараллельно с заданным зазором между двумя другими неподвижными пластинами, единожды измеряют собственную частоту автоколебаний пластины-осциллятора в максимально достижимом вакууме, затем заполняют пространство в зазорах между пластинами измеряемым газом и измеряют собственную частоту автоколебаний пластины-осциллятора, по измеренным значениям собственной частоты автоколебаний пластины-осциллятора рассчитывают давление исследуемого газа, причем измерение собственной частоты автоколебаний выполняют путем измерения мгновенных значений электрической емкости, образованной между пластиной-осциллятором и одной из неподвижных пластин, при этом частоту изменения электрической емкости принимают равной собственной частоте автоколебаний пластины-осциллятора.This goal is achieved due to the fact that in the proposed method for measuring low absolute gas pressure, mechanical self-oscillations of a given amplitude of a thin plate-oscillator, mounted on an elastic mechanical suspension, plane-parallel with a given gap between two other fixed plates are created, once the natural frequency of self-oscillations of the plate-oscillator is measured in the maximum achievable vacuum, then fill the space in the gaps between the plates with the measured gas and measure the natural frequency of self-oscillation of the oscillator plate, from the measured values of the self-oscillation natural frequency of the oscillator plate, calculate the pressure of the gas under study, and the measurement of the self-oscillation natural frequency is performed by measuring the instantaneous values of the electric capacity formed between the plate-oscillator and one of the fixed plates, while the frequency of change in electrical capacitance is taken to be equal to the natural frequency of self-oscillations of the plate-oscillator Torah.

Поставленная цель реализуется с помощью устройства для измерения низкого абсолютного давления газа, содержащего пластину-осциллятор, два плоских электрода, источник напряжения, блок измерения положения пластины-осциллятора, блок управления и частотомер, при этом пластина-осциллятор и два плоских электрода одновременно подключены к блоку измерения положения пластины-осциллятора и к источнику напряжения, который управляется блоком управления пропорционально сигналам, поступающим с блока измерения положения пластины-осциллятора, а частотомер подключен к блоку управления.This goal is realized with the help of a device for measuring low absolute gas pressure, containing an oscillator plate, two flat electrodes, a voltage source, a unit for measuring the position of an oscillator plate, a control unit and a frequency meter, while the oscillator plate and two flat electrodes are simultaneously connected to the unit measuring the position of the oscillator plate and to a voltage source, which is controlled by the control unit in proportion to the signals coming from the unit for measuring the position of the oscillator plate, and the frequency meter is connected to the control unit.

Сущность заявленных способа и устройства поясняется фиг. 1, 2, 3. На фиг. 1 представлена обобщенная схема для раскрытия научной основы способа, на фиг. 2 представлен поперечный разрез чувствительного элемента с пластиной-осциллятором, для которого получено уравнение измерения способа, на фиг. 3 представлена блок схема установки, включающей устройство, реализующее заявленный способ.The essence of the claimed method and device is illustrated in FIG. 1, 2, 3. FIG. 1 is a generalized diagram for disclosing the scientific basis of the method; FIG. 2 shows a cross-section of a sensing element with a plate-oscillator, for which the equation for measuring the method is obtained, FIG. 3 shows a block diagram of an installation including a device that implements the claimed method.

Теоретическая основа заявляемого способа заключается в следующем.The theoretical basis of the proposed method is as follows.

Общеизвестно, что значение собственной частоты автоколебаний механического осциллятора, выполненного в виде тонкой пластины, расположенной плоскопараллельно между двумя другими пластинами с заданными зазорами, зависит от упругости газа, содержащегося в зазорах, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна абсолютному давлению этого газа. Докажем это.It is well known that the value of the natural frequency of self-oscillations of a mechanical oscillator, made in the form of a thin plate located plane-parallel between two other plates with given gaps, depends on the elasticity of the gas contained in the gaps, which, in turn, is directly proportional to the absolute pressure of this gas. Let's prove it.

Реальные газы, находящиеся при низком абсолютном давлении, с высокой степенью точности можно считать идеальными газами. Для таких газов применим закон Бойля-Мариотта, согласно которому при постоянной температуре и массе идеального газа произведение его давления и объема есть величина постоянная, т.е.:Real gases at low absolute pressure can be considered ideal gases with a high degree of accuracy. For such gases, the Boyle-Mariotte law is applicable, according to which, at a constant temperature and mass of an ideal gas, the product of its pressure and volume is a constant value, i.e.:

PV=const, или P0V0=(Р0±ΔP)(V0±ΔV)=const, илиPV = const, or P 0 V 0 = (P 0 ± ΔP) (V 0 ± ΔV) = const, or

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеWhere

V0 - первоначальный объем газа,V 0 - initial gas volume,

P0 - первоначальное давление газа,P 0 - initial gas pressure,

ΔV, ΔР - малые приращения объема и давления газа, соответственно.ΔV, ΔР - small increments of gas volume and pressure, respectively.

Если взять в рассмотрение две одинаковые плоскопараллельные плоские пластины, расположенные друг от друга с малым зазором толщиной Z0 (фиг. 1), который заполнен газом с низким абсолютным давлением, то, как установлено экспериментально, утечкой газа из газового зазора при колебаниях пластины можно пренебречь, когда толщина газового зазора много меньше линейного размера пластины, т.е. Z0 << L. В этом случае полноправно считать, что, согласно соотношению (1), изменение толщины зазора ΔZ связано с изменением давления газа ΔР следующим соотношением:If we take into consideration two identical plane-parallel flat plates located from each other with a small gap of thickness Z 0 (Fig. 1), which is filled with a gas with low absolute pressure, then, as established experimentally, gas leakage from the gas gap during plate vibrations can be neglected when the thickness of the gas gap is much less than the linear size of the plate, i.e. Z 0 << L. In this case, it is legitimate to assume that, according to relation (1), the change in the thickness of the gap ΔZ is associated with a change in the gas pressure ΔР by the following relation:

Figure 00000002
Figure 00000002

гдеWhere

S - площадь поверхности каждой плоскопараллельной пластины.S is the surface area of each plane-parallel plate.

Преобразуем соотношение (2) к виду:We transform relation (2) to the form:

Figure 00000003
Figure 00000003

Преобразуем полученное соотношение (3), для этого рассмотрим два случая: We transform the obtained relation (3), for this we consider two cases:

А) 1-й случай - когда толщина Z зазора увеличивается (ΔZ>0), следовательно, давление газа в зазоре уменьшается на величину ΔР, а объем газа увеличивается на величину ΔV. В данном случае соотношению (3) соответствует соотношение:A) 1st case - when the thickness Z of the gap increases (ΔZ> 0), therefore, the gas pressure in the gap decreases by ΔР, and the gas volume increases by ΔV. In this case, relation (3) corresponds to the ratio:

Figure 00000004
Figure 00000004

Умножим правую часть соотношения (4) на множитель (1-ΔZ/Z0) и найдем соотношение для изменения давления ΔР, после всех математических операций в окончательном виде получаем:We multiply the right side of relation (4) by a factor (1-ΔZ / Z 0 ) and find the ratio for the change in pressure ΔР, after all mathematical operations in the final form we get:

Figure 00000005
Figure 00000005

Б) 2-й случай - когда толщина Z зазора уменьшается (ΔZ<0), следовательно, давление газа в зазоре увеличивается на величину ΔР, а объем газа уменьшается на величину ΔV. В данном случае соотношению (3) соответствует соотношение:B) 2nd case - when the thickness Z of the gap decreases (ΔZ <0), therefore, the gas pressure in the gap increases by ΔР, and the gas volume decreases by ΔV. In this case, relation (3) corresponds to the ratio:

Figure 00000006
Figure 00000006

Умножим правую часть соотношения (4) на множитель (1+ΔZ/Z0) и найдем соотношение для изменения давления ΔР, после всех математических операций в окончательном виде получаем соотношение, идентичное (5):We multiply the right-hand side of relation (4) by the factor (1 + ΔZ / Z 0 ) and find the ratio for the change in pressure ΔР, after all mathematical operations in the final form we obtain a ratio identical to (5):

Figure 00000007
Figure 00000007

При малых изменениях толщины ΔZ зазора знаменатель 1-(ΔZ/Z0)2 в соотношениях (5), (7) мало отличается от единицы, например, при ΔZ=0,05Z он равен: 1-(ΔZ/Z0)2=0,9975. Поэтому с высокой степенью достоверности данный знаменатель можно принять равным единице, тогда соотношения (5), (7) трансформируются к виду:With small changes in the thickness ΔZ of the gap, the denominator 1- (ΔZ / Z 0 ) 2 in relations (5), (7) differs little from unity, for example, at ΔZ = 0.05Z it is equal to: 1- (ΔZ / Z 0 ) 2 = 0.9975. Therefore, with a high degree of reliability, this denominator can be taken equal to one, then relations (5), (7) are transformed to the form:

Figure 00000008
Figure 00000008

Приращение силы ΔF, действующей со стороны газа в зазоре на поверхность каждой параллельной пластины, будет равно:The increment in the force ΔF acting from the gas side in the gap on the surface of each parallel plate will be equal to:

Figure 00000009
Figure 00000009

А коэффициент упругости G газа, находящегося в зазоре между пластинами, будет равен:And the coefficient of elasticity G of the gas in the gap between the plates will be equal to:

Figure 00000010
Figure 00000010

Как следует из полученного соотношения (10), коэффициент упругости G газа в газовом зазоре зависит от давления Р0 и прямо ему пропорционален.As follows from the obtained relation (10), the coefficient of elasticity G of the gas in the gas gap depends on the pressure P 0 and is directly proportional to it.

При создании автоколебаний пластины-осциллятора некоторой заданной массой т и смещении от среднего положения, описываемом уравнением ΔZ(τ)=Asin(ωτ), колебательное движение пластины-осциллятора при малой амплитуде колебаний А будет описываться уравнением гармонического осциллятора с одной степенью свободы (Андронов А.А., Витт А.А. Теория колебаний. - М.: Изд. ф.-м. литературы, 1959, с. 35), т.е.:When creating self-oscillations of the oscillator plate with a certain given mass m and a displacement from the mean position described by the equation ΔZ (τ) = Asin (ωτ), the oscillatory motion of the oscillator plate at a small oscillation amplitude A will be described by the equation of a harmonic oscillator with one degree of freedom (Andronov A A., Witt A.A. Theory of oscillations. - M .: Publishing house of physics and mathematics literature, 1959, p. 35), i.e .:

Figure 00000011
Figure 00000011

гдеWhere

Figure 00000012
- собственная циклическая частота колебаний пластины-осциллятора.
Figure 00000012
is the natural cyclic frequency of oscillations of the oscillator plate.

Таким образом, согласно соотношениям (10) и (11), циклическая частота автоколебаний будет пропорциональна давлению газа в газовом зазоре:Thus, according to relations (10) and (11), the cyclic frequency of self-oscillations will be proportional to the gas pressure in the gas gap:

Figure 00000013
Figure 00000013

а искомое давление газа в зазоре между пластинами, соответственно, равно:and the required gas pressure in the gap between the plates is, respectively, equal to:

Figure 00000014
Figure 00000014

В заявленном способе предложено использовать три плоскопараллельных пластины, расположенных друг от друга с зазорами Z1 и Z2 от внутренней пластины (фиг. 2), причем внутренняя пластина имеет возможность совершать механические автоколебания, т.е. осциллировать, а две наружные пластины жестко закреплены и неподвижны. Для каждой пары: внутренняя - наружная пластины справедливы приведенные выше соотношения и уравнение (13). В этом случае суммарный коэффициент упругости данной колебательной системы, состоящей из трех пластин, будет равен сумме коэффициентов упругости газа в двух зазорах G1, G2 и коэффициента упругости механического подвеса подвижной пластины-осциллятора Gm:In the claimed method, it is proposed to use three plane-parallel plates spaced apart from each other with gaps Z 1 and Z 2 from the inner plate (Fig. 2), and the inner plate has the ability to perform mechanical self-oscillations, i.e. oscillate, and the two outer plates are rigidly fixed and motionless. For each pair: inner - outer plate, the above relations and equation (13) are valid. In this case, the total coefficient of elasticity of this vibrational system, consisting of three plates, will be equal to the sum of the elastic coefficients of the gas in two gaps G 1 , G 2 and the coefficient of elasticity of the mechanical suspension of the movable plate-oscillator G m :

Figure 00000015
Figure 00000015

гдеWhere

G1=P0S/Z1 - упругость газа в зазоре между одной наружной пластиной, например, пластиной 1, и пластиной-осциллятором 6 (фиг. 2) (согласно соотношению 10),G 1 = P 0 S / Z 1 - gas elasticity in the gap between one outer plate, for example, plate 1, and the oscillator plate 6 (Fig. 2) (according to the ratio 10),

G2=P0S/Z2 - упругость газа в зазоре между другой наружной пластиной, например, пластиной 2, и пластиной-осциллятором (согласно соотношению 10),G 2 = P 0 S / Z 2 - gas elasticity in the gap between another outer plate, for example, plate 2, and the oscillator plate (according to the ratio 10),

Gmm 2m=(2πƒm)2m - упругость механического подвеса 5 пластины-осциллятора 6 (согласно соотношению 11).G m = ω m 2 m = (2πƒm) 2 m is the elasticity of the mechanical suspension 5 of the oscillator plate 6 (according to relationship 11).

Исходя из соотношения (11) собственная частота колебаний пластины-осциллятора 6 будет описываться следующим соотношением:Based on relationship (11), the natural frequency of oscillations of the oscillator plate 6 will be described by the following relationship:

Figure 00000016
Figure 00000016

Преобразовав соотношение (15) с учетом (14), (11), (10), получаем уравнение измерений заявленного способа:Transforming relation (15) taking into account (14), (11), (10), we obtain the measurement equation of the claimed method:

Figure 00000017
Figure 00000017

гдеWhere

Figure 00000018
- коэффициент преобразования,
Figure 00000018
- conversion factor,

ρ - плотность материала пластины-осциллятора,ρ is the density of the material of the oscillator plate,

ƒm - собственная частота колебаний внутренней пластины-осциллятора в отсутствии газа в зазоре между пластинами,ƒ m is the natural frequency of oscillations of the inner oscillator plate in the absence of gas in the gap between the plates,

ƒ - собственная частота колебаний внутренней пластины-осциллятора в присутствии исследуемого газа в зазоре между пластинамиƒ is the natural frequency of oscillations of the inner oscillator plate in the presence of the test gas in the gap between the plates

h - толщина пластины-осциллятора.h is the thickness of the oscillator plate.

В частном случае, когда зазоры между пластинами равны, т.е. Z1=Z2=Z0, коэффициент преобразования рассчитывается по соотношению:In the particular case, when the gaps between the plates are equal, i.e. Z 1 = Z 2 = Z 0 , the conversion factor is calculated as follows:

Figure 00000019
Figure 00000019

Таким образом, для осуществления способа необходимо измерить значение собственной частоты автоколебаний ƒm пластины-осциллятора 6 при отсутствии газа в газовом зазоре и значение собственной частоты автоколебаний ƒ этой же пластины-осциллятора 6 в присутствии исследуемого газа в зазоре между пластинами 1, 2, 6, затем по уравнению измерений (16) рассчитать значение абсолютного давления исследуемого газа Р0.Thus, to implement the method, it is necessary to measure the value of the natural frequency of self-oscillations ƒ m of the plate-oscillator 6 in the absence of gas in the gas gap and the value of the natural frequency of self-oscillations ƒ of the same plate-oscillator 6 in the presence of the test gas in the gap between the plates 1, 2, 6, then, using the measurement equation (16), calculate the value of the absolute pressure of the test gas P 0 .

Способ реализуется с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг. 3. Устройство содержит первую 1 и вторую 2 неподвижные плоскопараллельные пластины, которые выполнены из диэлектрического материала, причем, на поверхности каждой пластины, обращенной внутрь газового зазора между ними, установлены планарные металлические электроды 3, 4. Между пластинами 1, 2 плоскопараллельно им и с заданными зазорами Z1, Z2 от них на упругом механическом подвесе 5 расположена электропроводящая тонкая подвижная пластина-осциллятор 6, при этом толщина зазоров Z1 и Z2 между пластинами 1, 2 и пластиной-осциллятором 6 может быть как одинакова и равна Z0, так и различна. Для упрощения демонстрации расчета конструкционных параметров чувствительного элемента устройства примем, что Z1=Z2=Z0. Значение Z0 определено расчетным путем, исходя из верхнего предела измеряемого абсолютного давления газа Р0,mах. Кроме этого толщина h пластины-осциллятора 6 также определена расчетным путем, исходя из ожидаемого значения нижнего предела измеряемого абсолютного давления P0,min. Пластины 1,2 вместе с электродами 3, 4 и пластина-осциллятор 6 заключены в герметичный корпус 7, который посредством вентиля 8 соединен с емкостью 9, содержащей измеряемый газ и посредством вентиля 14 соединен с устройством откачки 15. Электроды 3 и 4, пластина-осциллятор 6 подключены к источнику напряжения 10 и к блоку измерения положения 11 пластины-осциллятора, который, в свою очередь, подключен к блоку управления 12. Блок управления подает сигналы в источник напряжения 10 и частотомер 13.The method is implemented using a device, a block diagram of which is shown in FIG. 3. The device contains the first 1 and second 2 fixed plane-parallel plates, which are made of a dielectric material, and on the surface of each plate facing the inside of the gas gap between them, planar metal electrodes 3, 4 are installed. given gaps Z 1 , Z 2 from them on an elastic mechanical suspension 5 there is an electrically conductive thin movable plate-oscillator 6, while the thickness of the gaps Z 1 and Z 2 between plates 1, 2 and the plate-oscillator 6 can be the same and equal to Z 0 , so it is different. To simplify the demonstration of the calculation of the design parameters of the sensitive element of the device, we will assume that Z 1 = Z 2 = Z 0 . The value of Z 0 is determined by calculation, based on the upper limit of the measured absolute gas pressure P 0 , max . In addition, the thickness h of the oscillator plate 6 is also determined by calculation, based on the expected value of the lower limit of the measured absolute pressure P 0, min . Plates 1,2 together with electrodes 3, 4 and plate-oscillator 6 are enclosed in a sealed housing 7, which is connected by means of a valve 8 to a container 9 containing a measured gas and through a valve 14 is connected to a pumping device 15. Electrodes 3 and 4, plate- The oscillator 6 is connected to a voltage source 10 and to a position measuring unit 11 of the oscillator plate, which, in turn, is connected to a control unit 12. The control unit supplies signals to a voltage source 10 and a frequency meter 13.

В заявленном устройстве механические автоколебания пластины-осциллятора 6 создаются и поддерживаются электростатическим приводом, за счет подачи электрического напряжения заданной величины на электроды 3 и 4. Для создания данных автоколебаний сила электростатического привода Fe должна превышать упругую силу газа F, находящегося в зазоре между пластинами 1, 2, т.е. Fe>F.In the claimed device, mechanical self-oscillations of the oscillator plate 6 are created and maintained by an electrostatic drive by applying an electric voltage of a given value to electrodes 3 and 4. To create these self-oscillations, the force of the electrostatic drive F e must exceed the elastic force of the gas F located in the gap between the plates 1 , 2, i.e. F e > F.

Модуль электростатической силы равен:The modulus of electrostatic force is:

Figure 00000020
Figure 00000020

гдеWhere

U - напряжение, прикладываемое к одному из электродов 3, 4,U is the voltage applied to one of the electrodes 3, 4,

ε0 - диэлектрическая постоянная,ε 0 - dielectric constant,

ε - диэлектрическая проницаемость газа, находящегося в зазоре между пластинами 1, 2.ε is the dielectric constant of the gas in the gap between plates 1, 2.

Упругая сила газа определяется по соотношению:The elastic force of the gas is determined by the ratio:

Figure 00000021
Figure 00000021

Так как смещение ΔZ пластины-осциллятора 6 от среднего положения Z0 на практике незначительно и обычно составляет ΔZ≈0,01Z0, то согласно (19) с учетом соотношения (10) правомерно записать:Since the displacement ΔZ of the oscillator plate 6 from the middle position Z 0 is insignificant in practice and usually amounts to ΔZ≈0.01Z 0 , then according to (19), taking into account relation (10), it is legitimate to write:

Figure 00000022
Figure 00000022

Условие Fe>F с учетом соотношений (20) и (18) принимает вид:The condition F e > F, taking into account relations (20) and (18), takes the form:

Figure 00000023
Figure 00000023

Из (21) получают условие для задания толщины зазора Z0:From (21), the condition for setting the thickness of the gap Z 0 is obtained:

Figure 00000024
Figure 00000024

гдеWhere

Р0,mах - верхний предел измеряемого абсолютного давления.Р 0, max - upper limit of the measured absolute pressure.

Для поддержания автоколебаний пластины-осциллятора 6 на электроды 3 и 4 относительно пластины-осциллятора 6 должно подаваться напряжение, пропорциональное силе трения, действующей на пластину-осциллятор 6 со стороны газа и зависящей от ее скорости и давления газа. Скорость движения пластины-осциллятора 6 пропорциональна первой производной от ее смещения от среднего положения ΔZ(τ)=Asin(ωτ), то есть амплитуде и частоте ее колебаний и имеет фазовый сдвиг 90° относительно сигнала, поступающего с блока измерения положения 11. Таким образом, сигнал от блока измерения положения 11 пластины-осциллятора 6 передается в блок управления 12, где осуществляется его фазовый сдвиг на 90°, выполняется регулирование амплитуды и подача сигнала на источник напряжения 10. Так как электростатическая сила пропорциональна квадрату разности напряжения и действует только как притягивающая сила, то на электроды 3 и 4 подается однополупериодное выпрямленное напряжение, при движении пластины-осциллятора 6 от электрода 3 напряжение подают на электрод 4, при движении от электрода 4 напряжение подают на электрод 3.To maintain self-oscillations of the oscillator plate 6, a voltage proportional to the friction force acting on the oscillator plate 6 from the gas side and depending on its velocity and gas pressure should be applied to electrodes 3 and 4 relative to the oscillator plate 6. The speed of motion of the oscillator plate 6 is proportional to the first derivative of its displacement from the mean position ΔZ (τ) = Asin (ωτ), that is, to the amplitude and frequency of its oscillations and has a phase shift of 90 ° relative to the signal coming from the position measuring unit 11. Thus , the signal from the position measuring unit 11 of the oscillator plate 6 is transmitted to the control unit 12, where it is phase shifted by 90 °, the amplitude is regulated and the signal is applied to the voltage source 10. Since the electrostatic force is proportional to the square of the voltage difference and acts only as an attractive force, then a half-wave rectified voltage is applied to electrodes 3 and 4, when the oscillator plate 6 moves from electrode 3, voltage is applied to electrode 4, when moving from electrode 4, voltage is applied to electrode 3.

Для расчета требуемой толщины h пластины-осциллятора 6, в первом приближении принимают, что при давлении измеряемого газа, равном его нижнему пределу P0,min, значение собственной циклической частоты колебаний со пластины-осциллятора 6 равно:To calculate the required thickness h of the oscillator plate 6, in the first approximation, it is assumed that at the pressure of the measured gas equal to its lower limit P 0, min , the value of the natural cyclic oscillation frequency from the oscillator plate 6 is equal to:

Figure 00000025
Figure 00000025

гдеWhere

ρ - плотность материала пластины-осциллятора.ρ is the density of the material of the oscillator plate.

Данное приближение вполне оправданно, ввиду того, что упругость механического подвеса пластины-осциллятора 6, равная Gmm 2m=(2πƒm)2m, меньше упругости измеряемого газа G. Учитывая, что ω=2πƒ=2π/T, где Т - период колебания пластины-осциллятора 6, соотношение (23) записывают в виде:This approximation is quite justified, in view of the fact that the elasticity of the mechanical suspension of the oscillator plate 6, equal to G m = ω m 2 m = (2πƒ m ) 2 m, is less than the elasticity of the measured gas G. Taking into account that ω = 2πƒ = 2π / T, where T is the period of vibration of the oscillator plate 6, relation (23) is written in the form:

Figure 00000026
Figure 00000026

Откуда следует соотношение для периода колебания пластины-осциллятора:Whence follows the relation for the oscillation period of the oscillator plate:

Figure 00000027
Figure 00000027

Для выполнения сформулированного ранее условия о малости утечек газа из зазоров между пластинами 1, 2 через их боковые грани при колебаниях пластины-осциллятора 6, как установлено экспериментально, период колебаний не должен превышать 0,002 с, т.е. T<0,002 с, следовательно, с учетом (24), условие для задания толщины пластины-осциллятора 6 имеет вид:To fulfill the previously formulated condition on the smallness of gas leaks from the gaps between plates 1, 2 through their lateral faces during oscillations of the oscillator plate 6, as established experimentally, the oscillation period should not exceed 0.002 s, i.e. T <0.002 s, therefore, taking into account (24), the condition for setting the thickness of the oscillator plate 6 has the form:

Figure 00000028
Figure 00000028

Устройство для измерения абсолютного низкого давления газа работает следующим образом. Единожды закрывают вентиль 8, открывают вентиль 14 и с помощью устройства откачки 15 откачивают газ, содержащийся в зазорах между пластиной-осциллятором и неподвижными пластинами до давления на 2-3 порядка меньшего, чем P0,min, т.е. до максимально-достижимого вакуума. На электрод 3 или на электрод 4 (на выбор), который считают потенциальным электродом, от источника постоянного напряжения 10 подают постоянное электрическое напряжение заданной величины. При подаче постоянного электрического напряжения возникает электростатическая сила, которая воздействует на пластину-осциллятор 6. Пластина-осциллятор 6 смещается к потенциальному электроду. Величина смещения пластины-осциллятора 6 определяется равенством электростатической силы и упругой силы механического подвеса 5 пластины-осциллятора 6. При снятии постоянного электрического напряжения пластина-осциллятор 6 начинает совершать колебания. Сигнал с блока измерения положения 11 пластины-осциллятора, пропорциональный электрической емкости между пластиной-осциллятором и одним из электродов 3, 4 пластин 1, 2, подается в блок управления 12. Блок управления формирует команды источнику напряжения 10 для подачи электрических напряжений на электроды 3 и 4, поддерживающие автоколебания пластины-осциллятора 6, компенсируя работу сил, действующих на пластину-осциллятор 6 со стороны газа, и диссипацию энергии в материале механического подвеса 5. С блока управления 12 сигналы поступают в частотомер 13, с помощью которого измеряется значение собственной частоты автоколебаний ƒm пластины-осциллятора при отсутствии газа в зазорах между пластинами 1, 2, т.е. в максимально-достижимом вакууме.The device for measuring the absolute low gas pressure operates as follows. The valve 8 is closed once, the valve 14 is opened, and the pumping device 15 is used to pump out the gas contained in the gaps between the oscillator plate and the fixed plates to a pressure 2-3 orders of magnitude lower than P 0, min , i.e. to the maximum achievable vacuum. To electrode 3 or to electrode 4 (optionally), which is considered a potential electrode, a constant electric voltage of a given value is supplied from a constant voltage source 10. When a constant electric voltage is applied, an electrostatic force arises, which acts on the oscillator plate 6. The oscillator plate 6 is displaced towards the potential electrode. The magnitude of the displacement of the oscillator plate 6 is determined by the equality of the electrostatic force and the elastic force of the mechanical suspension 5 of the oscillator plate 6. When the constant electric voltage is removed, the oscillator plate 6 begins to oscillate. The signal from the unit for measuring the position 11 of the oscillator plate, proportional to the electrical capacitance between the oscillator plate and one of the electrodes 3, 4 of the plates 1, 2, is supplied to the control unit 12. The control unit generates commands to the voltage source 10 to supply electrical voltages to the electrodes 3 and 4, supporting the self-oscillations of the oscillator plate 6, compensating for the work of the forces acting on the oscillator plate 6 from the gas side, and the dissipation of energy in the material of the mechanical suspension 5. From the control unit 12, the signals enter the frequency meter 13, with the help of which the value of the natural frequency of self-oscillations is measured ƒ m of the oscillator plate in the absence of gas in the gaps between plates 1, 2, i.e. in the maximum achievable vacuum.

После выполнения перечисленных выше операций закрывают вентиль 14 и открывают вентиль 8, в результате чего измеряемый газ или смесь газов, находящиеся в емкости 9, полностью заполняют внутреннее пространство герметичного корпуса 7 и пространство в зазорах между пластинами 1, 2, 6. После установления газостатического равновесия между пространствами герметичного корпуса 7 и емкости 9 с помощью частотомера 13 выполняют операции, аналогичные операциям при измерении собственной частоты автоколебаний пластины-осциллятора 6 в максимально-достижимом вакууме. В результате измеряют значение собственной частоты автоколебаний ƒ пластины-осциллятора 6 в присутствии измеряемого газа и из уравнения измерений (16), (17) рассчитывают значение абсолютного давления газа.After performing the above operations, the valve 14 is closed and the valve 8 is opened, as a result of which the measured gas or mixture of gases in the container 9 completely fills the inner space of the sealed housing 7 and the space in the gaps between the plates 1, 2, 6. After establishing gasostatic equilibrium Between the spaces of the sealed housing 7 and the container 9, using a frequency meter 13, operations are performed similar to those when measuring the natural frequency of self-oscillations of the oscillator plate 6 in the maximum achievable vacuum. As a result, the value of the natural frequency of self-oscillations ƒ of the oscillator plate 6 is measured in the presence of the measured gas, and the value of the absolute gas pressure is calculated from the measurement equation (16), (17).

Конкретное устройство имеет следующие характеристики:A specific device has the following characteristics:

- нижний предел измерения давления газа P0,min=10 Па,- lower limit of gas pressure measurement P 0, min = 10 Pa,

- верхний предел измерения давления газа Р0,mах=1000 Па,- upper limit of gas pressure measurement P 0, max = 1000 Pa,

- толщина зазора, рассчитанная по соотношению (22) при электрическом напряжении U<10 В, ε=1(азот), Z0=3 мкм,- the thickness of the gap, calculated according to the relation (22) at an electric voltage U <10 V, ε = 1 (nitrogen), Z 0 = 3 μm,

- материал пластины-осциллятора - кремний плотностью ρ=2300 кг/м3,- material of the oscillator plate - silicon with density ρ = 2300 kg / m 3 ,

- толщина пластины-осциллятора рассчитана по соотношению (25) h=75 мкм,- the thickness of the oscillator plate is calculated according to the relation (25) h = 75 μm,

- линейный размер пластины-осциллятора, выбранный из условия Z0<<L при квадратной форме пластины-осциллятора (длина и ширина), а при круглой форме (диаметр) равен L=1 мм.- the linear size of the oscillator plate, selected from the condition Z 0 << L for the square shape of the oscillator plate (length and width), and for the round shape (diameter) is equal to L = 1 mm.

Использование предлагаемых способа и устройства обеспечивает ряд преимуществ - независимость от рода газа, возможность получения линейной зависимости квадрата значения собственной частоты колебаний пластины-осциллятора от измеряемого давления. Кроме этого устройству не требуется каждый раз отдельная система откачки газа для создания образцового давления. Данные технические решения позволяют существенно повысить точность измерений и уменьшить длительность процесса измерений, расширяют функциональные возможности. Оценочная относительная неопределенность измерений не превышает 2%.The use of the proposed method and device provides a number of advantages - independence from the type of gas, the possibility of obtaining a linear dependence of the square of the value of the natural oscillation frequency of the oscillator plate on the measured pressure. In addition, the device does not require a separate gas evacuation system each time to create an exemplary pressure. These technical solutions can significantly improve the accuracy of measurements and reduce the duration of the measurement process, expand the functionality. The estimated relative measurement uncertainty does not exceed 2%.

Claims (2)

1. Способ измерения низкого абсолютного давления газа, заключающийся в том, что создают механические автоколебания заданной амплитуды тонкой пластины-осциллятора, установленной на упругом механическом подвесе плоскопараллельно с заданным зазором между двумя другими неподвижными пластинами, заполняют пространство в зазорах между пластинами исследуемым газом, измеряют собственную частоту автоколебаний пластины-осциллятора и по ней рассчитывают давление исследуемого газа, при этом измерение частоты автоколебаний выполняют путем измерения мгновенных значений электрической емкости, образованной между пластиной-осциллятором и одной из неподвижных пластин, частоту изменения электрической емкости принимают равной частоте автоколебаний пластины-осциллятора.1. A method for measuring low absolute gas pressure, which consists in creating mechanical self-oscillations of a given amplitude of a thin oscillator plate mounted on an elastic mechanical suspension in a plane-parallel plane with a given gap between two other fixed plates, filling the space in the gaps between the plates with the test gas, measuring its own the frequency of self-oscillations of the oscillator plate and the pressure of the test gas is calculated from it, while the self-oscillation frequency is measured by measuring the instantaneous values of the electrical capacitance formed between the oscillator plate and one of the fixed plates, the frequency of the electrical capacitance change is taken to be equal to the self-oscillation frequency of the oscillator plate. 2. Устройство для измерения низкого абсолютного давления газа, содержащее пластину-осциллятор, два плоских электрода, источник напряжения, блок измерения положения пластины-осциллятора, блок управления и частотомер, при этом пластина-осциллятор и два плоских электрода размещены в исследуемой газовой среде и одновременно подключены к блоку измерения положения пластины-осциллятора и к источнику напряжения, источник напряжения управляется блоком управления пропорционально сигналам, поступающим с блока измерения положения пластины-осциллятора, частотомер подключен к блоку управления.2. A device for measuring low absolute gas pressure, containing a plate-oscillator, two flat electrodes, a voltage source, a unit for measuring the position of the plate-oscillator, a control unit and a frequency meter, while the plate-oscillator and two flat electrodes are placed in the investigated gas medium and simultaneously connected to the unit for measuring the position of the oscillator plate and to the voltage source, the voltage source is controlled by the control unit in proportion to the signals coming from the unit for measuring the position of the oscillator plate, the frequency meter is connected to the control unit.
RU2020138456A 2020-11-23 2020-11-23 Method for measuring low absolute gas pressure and device for its implementation RU2749644C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138456A RU2749644C1 (en) 2020-11-23 2020-11-23 Method for measuring low absolute gas pressure and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138456A RU2749644C1 (en) 2020-11-23 2020-11-23 Method for measuring low absolute gas pressure and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2749644C1 true RU2749644C1 (en) 2021-06-16

Family

ID=76377455

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020138456A RU2749644C1 (en) 2020-11-23 2020-11-23 Method for measuring low absolute gas pressure and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2749644C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2803527C1 (en) * 2022-10-14 2023-09-14 Общество с ограниченной ответственностью "МАКСИМА" Method for reducing error in measuring vacuum with manometric resistance transducer

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU153752U1 (en) * 2014-11-05 2015-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) PRESSURE METER

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU153752U1 (en) * 2014-11-05 2015-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) PRESSURE METER

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Rozanov L.N. Vacuum processing equipment. St. Petersburg: Publishing house. Polytechnic University, 2012, p. 176. *
Tenholte D., Kurth S., Gebner Т., Dotzel W. A MEMS friction gauge suitable for high temperature measure. Sensor and actuators 2008 P. 166-172. *
Розанов Л.Н. Вакуумное технологическое оборудование. Санкт-Петербург: Изд. Политехнического Университета, 2012, С. 176. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2803527C1 (en) * 2022-10-14 2023-09-14 Общество с ограниченной ответственностью "МАКСИМА" Method for reducing error in measuring vacuum with manometric resistance transducer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5001924A (en) Volumetric measurement of tank volume
Duwel et al. Experimental study of thermoelastic damping in MEMS gyros
WO2008149298A1 (en) Pressure gauge
US10365194B2 (en) High temperature densitometer device and steam quality measurement method and device
US12259360B2 (en) Device and method for determining the volume and porosity of objects and bulk materials
Rezazadeh et al. On the mathematical modeling of a MEMS-based sensor for simultaneous measurement of fluids viscosity and density
RU2749644C1 (en) Method for measuring low absolute gas pressure and device for its implementation
CN1107231A (en) Device for measuring physical property of fluid
EP0607458B1 (en) Device for determining physical properties of fluids
Fedorchenko et al. The optical viscometer based on the vibrating fiber partially submerged in fluid
Rovero et al. Development of a prototype capacitive balance for freeze-drying studies
Venkateshan et al. Measurement of pressure
Dimeff et al. New Wide‐Range Pressure Transducer
JP2744977B2 (en) Simultaneous measurement method of pressure-volume-temperature characteristics in materials
RU2662948C1 (en) Lumped mass vibro-viscometric sensor
Chandrasekaran et al. Dynamic calibration technique for thermal shear stress sensors with variable mean flow
Gorelik Investigation of dynamic streaming potential by dimensional analysis
Platte Dynamic sine calibration of pressure transducers
Schmid et al. Quality factor
Gubaidullin et al. Temperature field at nonlinear gas oscillations in a rectangular channel
Tenholte et al. A MEMS friction vacuum gauge suitable for high temperature environment
Berg Hydrodynamic similarity in an oscillating-body viscometer
Clara et al. Theoretical analysis and simulation studies of the orbiting sphere viscometer
KARAKUNI et al. MATHEMATICAL MODELLING AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF TWO-TANK VALVE-LESS IMPEDANCE PUMPING SYSTEM
Xu et al. A dynamic U-tube rheometer of novel design for the study of weak gels and foams