Development and characterisation of primary pressure standard

Cilj prikazanog istraživanja je razvoj modela za direktno određivanje efektivnog tlaka etalonskih sklopova preko osnovnih SI jedinica mase i duljine. Predloženi model provjeren je i potvrđen eksperimentalno, usporedbom sa drugim primarnim etalonima tlaka. Istraživanje je provedeno kombinacijom znanstvenih i inženjerskih metoda, sintezom teorijskih modela i praktičnih eksperimenata. Prikazane su osnove fizikalnih modela i karakterizacije tlačnih vaga te zvonastih manometara kao primarnih etalona tlaka. Razmatranje teorije etalonskih sklopova klip/cilindar poslužilo je za postavljanje tri modela za određivanje efektivne površine iz primarnih načela (idealni, konični i realni model) utemeljenih na Dadsonovoj teoriji. U nastavku su opisane eksperimentalne metode određivanja efektivne površine usporedbom sa drugim etalonima tlaka. Objašnjene su osnove procjene mjerne nesigurnosti koja je sastavni dio rezultata mjerenja. Dan je pregled metoda i mogućnosti mjerenja tlaka u vodećim svjetskim institutima kao i prikaz sljedivosti tlaka u Republici Hrvatskoj. Eksperimentalni dio rada proveden je dijelom u Laboratoriju za procesna mjerenja, a dijelom u njemačkom laboratoriju za tlak instituta Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) u Braunschweigu. Dio mjerenja veličina potrebnih za proračun proveden je u nacionalnim laboratorijima za masu i duljinu. Opisane su četiri etalonske mjerne linije internih oznaka: M832, X0013, X0046 i TLVAG-05 koje zajedno pokrivaju područje mjerenja tlaka od 0 do 140 MPa. Naglasak je dan na usporedbi dviju neovisnih metoda određivanja efektivnih površna svakog etalonskog sklopa koje su ujedno i najutjecajnije komponente u procjeni mjerne nesigurnosti tlaka. Postavljeni su matematički modeli za određivanje efektivne površine iz mjerenja dimenzija kao i za procjenu mjerne nesigurnosti. U nastavku je opisano eksperimentalno određivanje efektivne površine sklopova usporedbom sa etalonskim sklopovima njemačkog instituta PTB. Dani su rezultati mjerenja i izračuna svih utjecajnih veličina i pripadajućih mjernih nesigurnosti za sva četiri sklopa. Odstupanja efektivnih površina u odnosu na PTB rezultate obrađena su statistički određivanjem faktora odstupanja normaliziranog u odnosu na iskazanu nesigurnost. Dokazane su mjerne nesigurnosti pri umjeravanja etalona tlaka reda veličine U=(5•10-5•pe) Pa; (k=2) te je tako osigurana dvojaka karakterizacija primarnog etalona: preko osnovnih SI jedinica ali i direktnom usporedbom s drugim primarnim etalonima tlaka. Disertacija završava diskusijom rezultata, pregledom provedenog istraživanja, prikazom glavnih rezultata rada te isticanjem mogućnosti budućih istraživanja.The aim of proposed thesis is to develop a model for direct determination of standard assemblies effective area over basic SI units: mass and length. Proposed model has been confirmed experimentally through comparison with other primary pressure standards. The methodology of conducted research is based on combination of science and engineering methods, by synthesis of theoretical methods and practical experiments. Fundamentals of physical models used for characterization of piston gauges and dive-bell manometers are given. Based on the study of standard piston/cylinder assemblies three models for the effective area determination have been developed. Proposed models (ideal, conical and real) are based on Dadson's theory. Description of experimental methods for effective area determination based on comparisons with other pressure standards is included. Overview of measurement uncertainties are given including the methods of uncertainty determination as an integral part of every measurement. Methods and capabilities of leading international measurement institutions are described as well as description of pressure traceability in Croatia. Experimental part of research has been conducted in LPM and partially in German national laboratory for pressure at Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Partially measurements have been also conducted in the national laboratories for mass and length. Four standard measurement facilities, with internal identity marks: M832, X0013, X0046 and TLVAG-05, covering the pressure interval from 0 up to 140 MPa have been described. The work points out comparison of two independent methods for effective area determination every standard assembly which is also the most influential component in the estimation of pressure measurement uncertainty. Mathematical models for effective area determination based on dimensional measurements are developed as well as for the estimation of the measurement uncertainty. Experimental method for the estimation of Piston/cylinder effective area measurement is described comparatively with the standard assemblies of German PTB institute. Measurement results of and calculation of influence quantities are given with the measurement uncertainties for all four measurement assemblies. Differences in effective areas compared to PTB measurement results have been statistically analyzed by estimation of normalized deviation factor En. It has been shown that measurement uncertainties in calibration of pressure standard are in the range U=(5•10-5•pe)Pa; (k=2). Therefore a double characterization of primary pressure standard has been established: over the basic SI units and by direct comparisons with other primary pressure standard