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)簡單，計(jì)量性能穩(wěn)定，因此被選作我國國家壓力基準(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;另有些是上級計(jì)量機(jī)構(gòu)出具的檢定證書上只有砝碼質(zhì)量測量值，沒有給出其理論值，提示使用單位“測量壓力時(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 的測量準(zhǔn)確度，因此，對活塞式壓力計(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，被測壓力值為5MPa 時(shí)，經(jīng)計(jì)算，由空氣浮力引起的壓力測量誤差為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，在壓力測量時(shí)應(yīng)根據(jù)使用地重力加速度值對砝碼質(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 級以上(含0.02 級)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其進(jìn)行修正，具體計(jì)算方法如下。

2.2.1 測量上限6MPa 及以下

測量上限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大多數(shù)地區(qū)的重力加速度值，對未列入表中地區(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 為測量地點(diǎn)的海拔高度，m;φ 為測量地點(diǎn)的緯度，(°)。

2.2.2 測量上限大于6 MPa

測量上限大于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，與上級機(jī)構(gòu)給出的實(shí)際測量值相比較，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)際測量結(jié)果滿足相應(yīng)等級允許誤差要求，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

本文針對部分生產(chǎn)廠家沒有配帶配重砝碼的現(xiàn)象，研究了針對壓力測量結(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

靶場試驗(yàn)用壓力儀表測量結(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)的壓力測量值，專用砝碼測量的準(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，并對溯源結(jié)果進(jìn)行識別，必要時(shí)應(yīng)對專用砝碼質(zhì)量進(jìn)行修正，使之在文中所述的誤差允許范圍之內(nèi)，以確保靶場壓力量值傳遞的準(zhǔn)確性與可靠性，進(jìn)而確保靶場試驗(yàn)的安全及測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

［1］國家質(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:中國計(jì)量出版社，2007.

［2］國家質(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)測技術(shù)，2010，30 (6):29 －31.