活塞式壓力計(jì)專用砝碼的溯源及質(zhì)量修正

翟巧麗，吳少輝，程斌

(中國(guó)人民解放軍63870 部隊(duì)，陜西 華陰714200)

0 引言

活塞式壓力計(jì)是在壓力計(jì)量中占有重要地位的一種計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)儀器，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)量性能穩(wěn)定，因此被選作我國(guó)國(guó)家壓力基準(zhǔn)裝置，主要用于標(biāo)準(zhǔn)壓力的量值傳遞。活塞式壓力計(jì)的溯源依據(jù)JJG59 －2007《活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程》，其專用砝碼質(zhì)量的檢定依據(jù)JJG99 －2006 《砝碼檢定規(guī)程》進(jìn)行，由于涉及兩個(gè)不同的專業(yè)，因此在實(shí)際工作中，活塞式壓力計(jì)溯源時(shí)大多只關(guān)注活塞系統(tǒng)及壓力校驗(yàn)器，而忽略了專用砝碼的溯源。究其原因，有些是使用單位送檢時(shí)沒有帶上專用砝碼;也有些是檢定人員依據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為砝碼的變化量較小，不影響活塞式壓力計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度，因此在檢定時(shí)將砝碼檢定的項(xiàng)目省略;另有些是上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)出具的檢定證書上只有砝碼質(zhì)量測(cè)量值，沒有給出其理論值，提示使用單位“測(cè)量壓力時(shí)，活塞及其連接零件的質(zhì)量和專用砝碼的質(zhì)量，需按活塞有效面積，使用地點(diǎn)重力加速度及空氣浮力進(jìn)行修正”。針對(duì)這些問題，本文探討了活塞式壓力計(jì)專用砝碼溯源的相關(guān)問題，給出了專用砝碼質(zhì)量修正的方法。

1 工作原理及砝碼溯源的重要性

1.1 工作原理

活塞式壓力計(jì)是根據(jù)帕斯卡原理、流體靜力學(xué)力平衡原理為基礎(chǔ)進(jìn)行壓力計(jì)量的，它利用壓力作用在活塞上的力與專用砝碼的重力相平衡來測(cè)量壓力儀器，依據(jù)傳壓介質(zhì)不同有氣壓和液壓兩類活塞式壓力計(jì)。活塞式壓力計(jì)主要由活塞系統(tǒng)、專用砝碼和校驗(yàn)器三大部分組成，如圖1 所示。活塞系統(tǒng)是活塞式壓力計(jì)的核心部件，由活塞和活塞筒組成。專用砝碼是活塞式壓力計(jì)配套的砝碼，一般為帶有輪緣的圓盤，中心具有同心的凹部和凸部。校驗(yàn)器有時(shí)也稱壓力泵或壓力計(jì)底座，它由壓力泵、閥門和連接管等組成，用以安裝活塞系統(tǒng)，并有造壓功能。

圖1 活塞式壓力計(jì)基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)被測(cè)壓力P 作用于活塞筒內(nèi)的活塞底部時(shí)，設(shè)活塞底部有效面積為Ae，有一個(gè)與該壓力成正比的力T 作用在活塞底部，此力垂直向上，且

質(zhì)量為M 的專用砝碼加載于活塞之上，砝碼產(chǎn)生的重力G0作用于活塞之上，力的方向垂直向下，且

式中:g 為活塞使用地重力加速度。

當(dāng)重力G0與力T 相平衡時(shí)，有平衡方程式:

即Mg = AeP。所以，

由式(4)可知，當(dāng)活塞式壓力計(jì)的活塞達(dá)到力平衡時(shí)，被測(cè)壓力可由專用砝碼的質(zhì)量M 和活塞有效面積Ae的比值來決定。

1.2 砝碼溯源及質(zhì)量修正的重要性

1.2.1 砝碼溯源的重要性

由上分析知，活塞式壓力計(jì)的準(zhǔn)確度主要取決于活塞有效面積Ae和專用砝碼的質(zhì)量M 的測(cè)量準(zhǔn)確度，因此，對(duì)活塞式壓力計(jì)進(jìn)行溯源時(shí)應(yīng)重視專用砝碼的溯源。在JJG59 －2007 《活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程》的檢定項(xiàng)目中，專用砝碼質(zhì)量在首次檢定、后續(xù)檢定及使用中檢驗(yàn)都是應(yīng)檢項(xiàng)目。

1.2.2 空氣浮力的影響

根據(jù)阿基米德原理，專用砝碼在空氣中使用會(huì)受到空氣浮力作用，使加載到活塞上的有效質(zhì)量減少。專用砝碼在空氣中受到的浮力f 為

式中:ρa(bǔ)為空氣密度，1.2 kg/m3;ρm為專用砝碼的材料密度 (鋼為7.8 × 103kg/m3，鋁為2.7 × 103kg/m3);g 為所處地點(diǎn)重力加速度;v 為專用砝碼在空氣中的體積;m 為專用砝碼的質(zhì)量。

實(shí)際作用在活塞上的重力G 為

由式(6)可以看出，由于空氣浮力影響，實(shí)際作用在活塞上的有效砝碼質(zhì)量為m(1 －)g，常壓下，當(dāng)砝碼材料為鋼，值約為0.0154%。0.02 級(jí)活塞式壓力計(jì)專用砝碼質(zhì)量的允許誤差為±0.008%，由此可見由于空氣浮力的影響導(dǎo)致砝碼質(zhì)量誤差幾乎是允許誤差的兩倍。以活塞式壓力計(jì)67768 為例，根據(jù)2010年活塞有效面積檢定結(jié)果，被測(cè)壓力值為5MPa 時(shí)，經(jīng)計(jì)算，由空氣浮力引起的壓力測(cè)量誤差為0.0062%，是活塞式壓力計(jì)允許誤差的1/3。因此實(shí)際使用中為了確保活塞式壓力計(jì)的準(zhǔn)確度，應(yīng)對(duì)砝碼質(zhì)量進(jìn)行修正，修正量Δm 為

1.2.3 重力加速度的影響

專用砝碼質(zhì)量的理論值是依據(jù)上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)給出的活塞有效面積、重力加速度、壓力標(biāo)稱值等計(jì)算獲得的，計(jì)算過程中因取重力加速度標(biāo)準(zhǔn)值 (g =9.80665 m/s2)和使用地(以華陰為例)重力加速度(g=9.7951 m/s2)不同而引入的誤差為0.118%，由于上級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)所在地(北京)重力加速度(g=9.8015 m/s2)與使用地(華陰)重力加速度(g =9.7951 m/s2)不同而引入的誤差為0.065%，與專用砝碼質(zhì)量允許誤差±0.008%相比，重力加速度選取不準(zhǔn)而引入的誤差顯然不能忽略。因此，在壓力測(cè)量時(shí)應(yīng)根據(jù)使用地重力加速度值對(duì)砝碼質(zhì)量進(jìn)行修正。

2 專用砝碼的檢定及質(zhì)量修正方法

2.1 技術(shù)要求

活塞式壓力計(jì)專用砝碼的檢定依據(jù)JJG99 －2006《砝碼檢定規(guī)程》，檢定時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題:①首次檢定的活塞式壓力計(jì)砝碼和承重盤，其表面應(yīng)完好，有耐磨防銹層(如發(fā)藍(lán)、發(fā)黑或鍍鉻)的砝碼不得有銹點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)光滑無砂眼及其它損傷。②活塞式壓力計(jì)各個(gè)砝碼的凹凸面須能正確配合，不得過松或過緊，并能保持同心。③同一標(biāo)稱值的砝碼應(yīng)具有相同的形狀和尺寸。④如砝碼或承重盤上有調(diào)整腔，調(diào)整塞的上表面不得高于砝碼或承重盤的表面。⑤0.02 級(jí)以上(含0.02 級(jí))的活塞式壓力計(jì)專用砝碼應(yīng)使用無磁金屬材料。

2.2 專用砝碼質(zhì)量修正方法及允許誤差

由于活塞式壓力計(jì)專用砝碼的標(biāo)稱值為其作用在活塞上所產(chǎn)生的壓力值(以kPa，MPa 為單位)，因此，使用時(shí)應(yīng)依據(jù)活塞有效面積測(cè)量結(jié)果將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的質(zhì)量值。由JJG59 －2007 《活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程》知，活塞式壓力計(jì)測(cè)量范圍上限可在0.6，6，25，60，100，160，250，500 MPa 中選取，由上分析，專用砝碼質(zhì)量計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮空氣浮力作用及使用地重力加速度對(duì)其進(jìn)行修正，具體計(jì)算方法如下。

2.2.1 測(cè)量上限6MPa 及以下

測(cè)量上限6MPa 及以下的活塞式壓力計(jì)，其專用砝碼、活塞及其連接件質(zhì)量按公式(8)計(jì)算:

式中:m 為專用砝碼、活塞及其連接零件質(zhì)量，kg;p為被測(cè)壓力值，Pa;A＇為被檢活塞式壓力計(jì)活塞有效面積，m2;ρa(bǔ)為周圍空氣的密度，kg/m3;ρm為專用砝碼、活塞及其連接件材料密度，kg/m3;g 為活塞式壓力計(jì)使用地點(diǎn)的重力加速度，m/s2。

通常計(jì)量檢定規(guī)程附錄表中給出了全國(guó)大多數(shù)地區(qū)的重力加速度值，對(duì)未列入表中地區(qū)的重力加速度值，可用公式(9)計(jì)算當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

式中:R 為地球半徑，取R = 6371 ×103m;h 為測(cè)量地點(diǎn)的海拔高度，m;φ 為測(cè)量地點(diǎn)的緯度，(°)。

2.2.2 測(cè)量上限大于6 MPa

測(cè)量上限大于6 MPa 的活塞式壓力計(jì)，配套的專用砝碼必須按順序號(hào)放置，專用砝碼、活塞及其連接件質(zhì)量按公式(10)計(jì)算。

式中:mj為按次序加載的第j 塊砝碼的質(zhì)量，kg;pj為在參考溫度和標(biāo)準(zhǔn)重力加速度下，加載第j 塊砝碼產(chǎn)生的壓力值，Pa;A＇0 為在零壓力和參考溫度下，被檢活塞式壓力計(jì)活塞有效面積，m2;g 為活塞式壓力計(jì)使用地點(diǎn)重力加速度，m/s2;ρa(bǔ)為周圍空氣的密度，kg/m3;ρm為砝碼材料的密度，kg/m3;λ 為活塞—活塞筒組件的壓力變形系數(shù)，Pa－1。

注:λ 值取決于活塞和活塞筒材料、尺寸及結(jié)構(gòu)，其值用下式計(jì)算:

式中:E，E1為活塞筒、活塞材料的彈性模量，MPa;μ，μ1為活塞筒、活塞材料的泊松比，具體數(shù)值參看表1;R1為活塞筒的外半徑，m;R2為活塞的半徑，m。

活塞、活塞筒使用相同材料時(shí)，變形系數(shù)用式(12)計(jì)算。

表1 活塞、活塞筒材料的線膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比

2.2.3 誤差要求

通過本文所述方法計(jì)算出每塊專用砝碼質(zhì)量的理論值，與上級(jí)機(jī)構(gòu)給出的實(shí)際測(cè)量值相比較，滿足表2規(guī)定的誤差要求的可以直接使用，不滿足的應(yīng)對(duì)砝碼質(zhì)量進(jìn)行修正(增加或減少配重)，以滿足使用要求。

3 溯源結(jié)果的使用

活塞式壓力計(jì)在溯源時(shí)對(duì)專用砝碼質(zhì)量理論值計(jì)算若已根據(jù)空氣浮力、使用地點(diǎn)重力加速度、活塞壓力變形系數(shù)作了修正，并且實(shí)際測(cè)量結(jié)果滿足相應(yīng)等級(jí)允許誤差要求，溯源結(jié)果可直接使用(目前這種情況很少)，否則，使用單位應(yīng)依據(jù)本文3.2 所述方法，結(jié)合活塞有效面積周期溯源結(jié)果，對(duì)專用砝碼質(zhì)量進(jìn)行修正，確保專用砝碼質(zhì)量在表2 所述的誤差允許范圍內(nèi)。

表2 活塞式壓力計(jì)專用砝碼質(zhì)量最大允許誤差

本文針對(duì)部分生產(chǎn)廠家沒有配帶配重砝碼的現(xiàn)象，研究了針對(duì)壓力測(cè)量結(jié)果的修正方法，編寫了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換軟件，將砝碼的質(zhì)量修正值轉(zhuǎn)換為加載該砝碼時(shí)所產(chǎn)生壓力值的修正量，增加了本文所述砝碼質(zhì)量修正方法的實(shí)用性。

4 結(jié)束語

靶場(chǎng)試驗(yàn)用壓力儀表測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確與否，不僅關(guān)系著試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，而且影響參試設(shè)備及人員的安全。本文分析表明，專用砝碼的質(zhì)量直接影響活塞式壓力計(jì)的壓力測(cè)量值，專用砝碼測(cè)量的準(zhǔn)確度及修正結(jié)果直接影響壓力量值傳遞的準(zhǔn)確性。因而在活塞式壓力計(jì)溯源工作中應(yīng)特別關(guān)注其配套砝碼的溯源，并對(duì)溯源結(jié)果進(jìn)行識(shí)別，必要時(shí)應(yīng)對(duì)專用砝碼質(zhì)量進(jìn)行修正，使之在文中所述的誤差允許范圍之內(nèi)，以確保靶場(chǎng)壓力量值傳遞的準(zhǔn)確性與可靠性，進(jìn)而確保靶場(chǎng)試驗(yàn)的安全及測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

［1］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. JJG59 －2007 活塞式壓力計(jì)計(jì)量檢定規(guī)程［S］. 北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2007.

［2］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. JJG99 －2006 砝碼檢定規(guī)程［S］. 北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2006.

［3］中航一集團(tuán)第304 研究所. 計(jì)量檢定員培訓(xùn)教材(壓力)［M］. 北京:2008.

［4］河北省滄州市試驗(yàn)機(jī)廠. YU－6 活塞式壓力計(jì)使用說明書［M］. 滄州:2009.

［5］王陽，齊坤，徐維鈞，等. 活塞式壓力計(jì)檢定和使用中相關(guān)問題探討［J］. 計(jì)測(cè)技術(shù)，2010，30 (6):29 －31.