活塞式壓力計(jì)和高度差測(cè)量的研究

Research on the Height Difference Measurement and Piston Gauges

李海兵　塔伊爾·斯拉甫力　卓　華

(新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院，新疆 烏魯木齊　830011)

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活塞式壓力計(jì)和高度差測(cè)量的研究

Research on the Height Difference Measurement and Piston Gauges

李海兵塔伊爾·斯拉甫力卓華

(新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院，新疆 烏魯木齊830011)

摘要：活塞式壓力計(jì)是壓力計(jì)量領(lǐng)域使用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)器。以活塞式壓力計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)，其與被測(cè)壓力類儀表的高度差是重要的影響量?？紤]測(cè)量高度差時(shí)需要測(cè)量活塞的下端面，對(duì)不同構(gòu)造(規(guī)則圓柱體或具有限位裝置和空心結(jié)構(gòu)的不規(guī)則體)的活塞進(jìn)行分析，提出了測(cè)量原理、方法和過程。分別對(duì)油介質(zhì)和氣介質(zhì)的活塞式壓力計(jì)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示油介質(zhì)活塞式壓力計(jì)未進(jìn)行高度差修正時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，而氣介質(zhì)活塞式壓力計(jì)對(duì)高度差的影響較小。

關(guān)鍵詞：壓力測(cè)量傳感器變送器誤差精度儀器儀表信號(hào)傳輸校準(zhǔn)

Abstract：The piston gauge is the most widely used standard device in pressure metrological region.When piston gauge is used as the standard device,the height difference between the gauge and the measured pressure instrument is an important influence quantity.Due to measuring the lower end surface of the piston gauge is requested when the height difference being measured,the pistons gauges with difference structure (regular cylinder structure or irregular style with limit or hollow structure) are analyzed,the measuring principle,method and procedures are proposed.Through calculating for the piston gauges with oil medium and gas medium respectively,it is found that the measurement result of the oil medium piston gauge is greatly influenced when the height difference has not been corrected,while the gas medium piston gauge is less influenced by the height difference.

Keywords:PressureMeasurementSensorTransmitterErrorPrecisionInstrumentationSignal transmissionCalibration

0引言

活塞式壓力計(jì)以其較高的準(zhǔn)確度、較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，成為壓力真空計(jì)量領(lǐng)域使用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)器。活塞有效面積的測(cè)量方法分為起始平衡法和直接平衡法。使用直接平衡法時(shí)，需要準(zhǔn)確測(cè)量高度差。對(duì)于高度差的測(cè)量，最重要的問題是準(zhǔn)確確定活塞參考面，選擇盡量準(zhǔn)確的測(cè)量方法來測(cè)量參考面的高度[1-6]。無論活塞式壓力計(jì)的工作介質(zhì)是氣體或液體，氣柱或液柱高度差在重力作用下引起的測(cè)量誤差都不容忽視，必須進(jìn)行測(cè)量。首先必須確定一個(gè)參考位置，如活塞為圓柱體，則可選定活塞的下端面為參考面[7-8]。壓力量值檢定或校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)使標(biāo)準(zhǔn)與被測(cè)數(shù)字壓力計(jì)的參考端在同一水平面上，應(yīng)重視高度差修正[9-10]。下面對(duì)于規(guī)則圓柱體和非規(guī)則活塞(底部有限位結(jié)構(gòu)和內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)的活塞)，討論和分析活塞下端面的測(cè)量原理、方法和過程。

1活塞高度的測(cè)量原理

1.1規(guī)則圓柱體的活塞

對(duì)于規(guī)則圓柱體的活塞，其活塞的下端面為參考面，只需測(cè)量參考面的高度即可。圓柱體活塞的構(gòu)造圖如圖1所示。

圖1　圓柱體活塞的構(gòu)造圖

活塞分為Ⅰ、Ⅱ(虛斜線部分)兩部分，p1、p2、p3分別對(duì)應(yīng)水平面1、2、3處的壓力。考慮活塞p1處的面積S0，如圖1所示，活塞處于空氣中的部分為Ⅰ，進(jìn)入工作介質(zhì)中的部分為Ⅱ，重力為G，浮力為F浮，粘滯力為f，g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

對(duì)于活塞建立平衡方程：(p1-p2)S0=G-F浮-f，

對(duì)活塞的Ⅱ部分進(jìn)行受力分析：FⅡ浮=GⅡ=ρmgS0H,可得：

(1)

對(duì)于規(guī)則圓柱體的活塞，其有效面積參考面處于p3所在的水平面，測(cè)量高度差時(shí)只需測(cè)量活塞桿的最底部即可。

1.2底部有限位結(jié)構(gòu)的活塞

討論底部具有限位結(jié)構(gòu)的活塞，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。限位結(jié)構(gòu)(Ⅰ和Ⅱ)位于活塞桿的底部，Ⅲ為理論計(jì)算模擬部分。對(duì)活塞限位結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行理論分析，考慮浮力作用，效果如同在活塞桿最底部增加了ΔH，活塞的下端面處于水平面3所在的位置。VⅠ+VⅡ=VⅢ，V為體積，具體分析過程與1.1同。

圖2　具有限位結(jié)構(gòu)的活塞結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于4臺(tái)不同測(cè)量范圍的活塞式壓力計(jì)，根據(jù)實(shí)測(cè)活塞參數(shù)計(jì)算得到的高度修正值以及未修正帶來的影響列于表1中。

在本地區(qū)使用表1中測(cè)量范圍為2~70 MPa的活塞式壓力計(jì)，以癸二酸二異辛酯為介質(zhì)，工作環(huán)境的溫度為(20.0±0.1)℃。當(dāng)該活塞式壓力計(jì)產(chǎn)生2 MPa的標(biāo)準(zhǔn)壓力時(shí)，因液柱高度差測(cè)量不準(zhǔn)帶來的相對(duì)誤差為：

η=Δp/ps=(ρf-ρa(bǔ))gΔH/ps

(2)

式中：ρf，ρa(bǔ)分別為工作介質(zhì)和空氣的密度， 且ρf=912.7+(0.752×p-0.001 65×p2+0.000 001 5×p3)×[1-0.000 78×(t-20)];p為相對(duì)壓力，MPa;t為溫度。

同理，各活塞式壓力計(jì)在其測(cè)量下限使用時(shí)限位結(jié)構(gòu)未修正帶來的相對(duì)誤差見表1。由此可見未對(duì)限位結(jié)構(gòu)修正的活塞式壓力計(jì)，其準(zhǔn)確度等級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足0.05級(jí)的要求。

表1　具有限位結(jié)構(gòu)的活塞高度的計(jì)算值

1.3中空結(jié)構(gòu)的活塞

對(duì)于測(cè)量下限較小的氣體活塞式壓力計(jì)，若采用合金鋼材質(zhì)的活塞系統(tǒng)，其內(nèi)部一般為空心結(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖3中，Ⅰ和Ⅱ?yàn)閳A環(huán)結(jié)構(gòu)，Ⅲ為模擬部分。

圖3　具有中空結(jié)構(gòu)的活塞構(gòu)造

表2　具有中空結(jié)構(gòu)的活塞高度的計(jì)算值

2測(cè)量方法和過程

活塞高度的測(cè)量過程如圖4所示。首先，使活塞處于平衡位置，做出高度標(biāo)志線，以標(biāo)志活塞位置；然后緩慢取出活塞，將其處于豎直方向并緊貼活塞筒，找到標(biāo)志位置，使活塞筒的上部與高度標(biāo)志線相齊，此時(shí)使用數(shù)顯高度卡尺測(cè)量活塞的下端面，高度值即為活塞下端面與參考面的高度差值。

圖4　測(cè)量過程示意圖

3高度差測(cè)量的應(yīng)用

選用液體為介質(zhì)的活塞式壓力計(jì)，應(yīng)使精密表指針軸與活塞壓力計(jì)活塞的下端面處于同一水平面，當(dāng)液柱高度差產(chǎn)生的壓力超過被檢表最大允許誤差的1/10時(shí)，應(yīng)對(duì)由此產(chǎn)生的誤差按公式Δp=ρgΔH[11]計(jì)算得出。ΔH的測(cè)量方法如圖5所示。

根據(jù)測(cè)量方法測(cè)出活塞的高度H1，并測(cè)量精密表指針軸所在水平面的高度H2，則ΔH=H2-H1。

圖5　高度差測(cè)量示意圖

4結(jié)束語

在準(zhǔn)確測(cè)量活塞的高度時(shí)，關(guān)鍵是確定參考面。規(guī)則圓柱體結(jié)構(gòu)的活塞的下端面即為參考面;而非規(guī)則的活塞的參考面：對(duì)于油介質(zhì)的活塞式壓力計(jì)，限位結(jié)構(gòu)帶來的誤差影響其作為標(biāo)準(zhǔn)器的使用；以氣體為介質(zhì)時(shí)，其中空結(jié)構(gòu)帶來的誤差影響較小。只有掌握了活塞高度參考面的測(cè)量原理和方法，才能減小測(cè)量過程中的誤差，保證壓力量傳的一致性和準(zhǔn)確性。

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中圖分類號(hào)：TP216;TH812

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602019

國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2013QK079) 。

修改稿收到日期：2015-03-20。

第一作者李海兵(1984-)，男，2010年畢業(yè)于新疆大學(xué)凝聚態(tài)物理專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事壓力計(jì)量的研究。