Методы воспроизведения и измерения потока газа в вакууме

Паспортное значение любой эталонной течи появляется не из воздуха: его определяют на эталонных установках, воспроизводящих единицу потока газа в вакууме одним из трёх классических методов. Понимание этих методов помогает инженеру грамотно читать свидетельства о поверке, оценивать неопределённости и понимать, откуда берутся пределы точности «±15 %» на его мере потока. Эта страница — обзорный справочник; частные вопросы раскрыты в связанных статьях.

Три метода воспроизведения потока

Метод постоянного давления

Поток определяется по скорости изменения объёма газа при неизменном давлении. Классическая реализация — «газовые пузыри»: газ вытекает в жидкость, и поток вычисляется по частоте образования и объёму пузырей: Q = V_п·(dN/dτ). Метод нагляден, но снизу ограничен: при малых потоках пузыри образуются редко, а пары́ жидкости искажают результат сорбционно-десорбционными процессами. Другая реализация — жидкостно-механический потокомер, где изменение объёма отслеживается по перемещению жидкостного затвора.

Кумуляционный метод (метод накопления)

Газ от исследуемой меры накапливается в известном объёме V, и поток вычисляется по скорости роста давления:

Q = (V / Δt) · ΔpV — объём накопления; Δp — приращение давления за время Δt; вводятся поправки на нестабильность температуры, изменение объёма и собственное натекание системы

Это основной метод современных эталонных установок в области малых и средних потоков: он опирается на хорошо воспроизводимые измерения давления, объёма и времени. Для наиболее стабильных мер потока — диффузионных и отдельных капиллярных — относительное стандартное отклонение результата достигает 0,8 % вплоть до потоков порядка 10⁻⁹ Па·м³/с, а суммарная неопределённость кумуляционного измерительного блока эталонной установки составляет около 1,3 %.

Редукционный метод (калиброванное сопротивление)

Поток определяется по перепаду давления на элементе с известной проводимостью в молекулярном режиме течения: Q = U·(p₁ − p₂). Метод удобен для передачи единицы в область больших потоков и лежит в основе редуктометрических измерительных блоков; на этом же принципе построены и рабочие меры потока «без резервуара» — такие как КТР.

Что ограничивает точность

Предельные возможности всех трёх методов упираются в одни и те же источники неопределённости:

измерение давления — лучшие современные СИ давления дают относительное стандартное отклонение порядка 2–3,5 % в области 10⁻⁶–10⁻³ Па и лишь ~0,03–0,05 % в области 10⁻³–10³ Па; именно поэтому диапазон измерения выбирают так, чтобы давления попадали в «точную» зону;
измерение объёма и его изменений — включая тепловое расширение и деформации;
измерение времени — наименее проблемная составляющая;
температура — поле температуры в помещении нестабильно во времени и неоднородно в пространстве, что вносит поправки в уравнение измерений;
собственное натекание и газоотделение вакуумной системы — фоновый поток со своим дрейфом и шумом, который приходится измерять и вычитать.

Практические следствия этих ограничений для пользователя меры потока разобраны в статьях о неопределённости потока, о температурной стабилизации и о причинах дрейфа показаний.

Эталонная база: от первичного эталона до вашей течи

В России единицу потока газа в вакууме хранит и передаёт эталонная база ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». Вторичный эталон ГВЭТ 49-2-06 построен на кумуляционном и редуктометрическом измерительных блоках и калибруется по первичному эталону. Порядок передачи единицы «вниз» — к эталонным и рабочим СИ — впервые закрепила локальная поверочная схема института. Эквивалентность национальных эталонов подтверждена международными сличениями (в частности, со Словацким метрологическим институтом).

Дальше единица «спускается» по цепочке: на эталонной установке поверяются меры потока — например, Гелит-1 и Гелит-2 (поверка по МП 231-0074-2019 на эталонах 3.БКВ.0044.2017 и 3.БКВ.0046.2017), — а уже по поверенной мере пользователь проверяет свой течеискатель и стенд. Подробно эта цепочка разобрана в статье о метрологической прослеживаемости.

Зачем это знать пользователю течи

паспортное значение вашей меры получено конкретным методом с конкретной неопределённостью — она всегда меньше допускаемой погрешности меры (±15 % у Гелит-1), и запас не случаен;
условия поверки (температура, диапазон давлений) — часть результата: вне этих условий значение требует поправок;
сравнивая показания течеискателя с паспортом меры, вы сравниваете два измерения, у каждого из которых есть свой бюджет неопределённости.

Статьи раздела

Нужна консультация?

Поможем разобраться со свидетельством, неопределённостью и подбором меры под вашу поверочную схему.

Написать на info@gelit1.ru