活塞式壓力計專用砝碼的溯源及質量修正

翟巧麗，吳少輝，程斌

(中國人民解放軍63870 部隊，陜西 華陰714200)

0 引言

活塞式壓力計是在壓力計量中占有重要地位的一種計量標準儀器，由于其結構簡單，計量性能穩定，因此被選作我國國家壓力基準裝置，主要用于標準壓力的量值傳遞。活塞式壓力計的溯源依據JJG59 －2007《活塞式壓力計檢定規程》，其專用砝碼質量的檢定依據JJG99 －2006 《砝碼檢定規程》進行，由于涉及兩個不同的專業，因此在實際工作中，活塞式壓力計溯源時大多只關注活塞系統及壓力校驗器，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沒有帶上專用砝碼;也有些是檢定人員依據多年經驗認為砝碼的變化量較小，不影響活塞式壓力計的測量準確度，因此在檢定時將砝碼檢定的項目省略;另有些是上級計量機構出具的檢定證書上只有砝碼質量測量值，沒有給出其理論值，提示使用單位“測量壓力時，活塞及其連接零件的質量和專用砝碼的質量，需按活塞有效面積，使用地點重力加速度及空氣浮力進行修正”。針對這些問題，本文探討了活塞式壓力計專用砝碼溯源的相關問題，給出了專用砝碼質量修正的方法。

1 工作原理及砝碼溯源的重要性

1.1 工作原理

活塞式壓力計是根據帕斯卡原理、流體靜力學力平衡原理為基礎進行壓力計量的，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，依據傳壓介質不同有氣壓和液壓兩類活塞式壓力計。活塞式壓力計主要由活塞系統、專用砝碼和校驗器三大部分組成，如圖1 所示。活塞系統是活塞式壓力計的核心部件，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。校驗器有時也稱壓力泵或壓力計底座，它由壓力泵、閥門和連接管等組成，用以安裝活塞系統，并有造壓功能。

圖1 活塞式壓力計基本結構

當被測壓力P 作用于活塞筒內的活塞底部時，設活塞底部有效面積為Ae，有一個與該壓力成正比的力T 作用在活塞底部，此力垂直向上，且

質量為M 的專用砝碼加載于活塞之上，砝碼產生的重力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。

當重力G0與力T 相平衡時，有平衡方程式:

即Mg = AeP。所以，

由式(4)可知，當活塞式壓力計的活塞達到力平衡時，被測壓力可由專用砝碼的質量M 和活塞有效面積Ae的比值來決定。

1.2 砝碼溯源及質量修正的重要性

1.2.1 砝碼溯源的重要性

由上分析知，活塞式壓力計的準確度主要取決于活塞有效面積Ae和專用砝碼的質量M 的測量準確度，因此，對活塞式壓力計進行溯源時應重視專用砝碼的溯源。在JJG59 －2007 《活塞式壓力計檢定規程》的檢定項目中，專用砝碼質量在首次檢定、后續檢定及使用中檢驗都是應檢項目。

1.2.2 空氣浮力的影響

根據阿基米德原理，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量減少。專用砝碼在空氣中受到的浮力f 為

式中:ρa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 為專用砝碼的質量。

實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，實際作用在活塞上的有效砝碼質量為m(1 －)g，常壓下，當砝碼材料為鋼，值約為0.0154%。0.02 級活塞式壓力計專用砝碼質量的允許誤差為±0.008%，由此可見由于空氣浮力的影響導致砝碼質量誤差幾乎是允許誤差的兩倍。以活塞式壓力計67768 為例，根據2010年活塞有效面積檢定結果，被測壓力值為5MPa 時，經計算，由空氣浮力引起的壓力測量誤差為0.0062%，是活塞式壓力計允許誤差的1/3。因此實際使用中為了確保活塞式壓力計的準確度，應對砝碼質量進行修正，修正量Δm 為

1.2.3 重力加速度的影響

專用砝碼質量的理論值是依據上級計量機構給出的活塞有效面積、重力加速度、壓力標稱值等計算獲得的，計算過程中因取重力加速度標準值 (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%，由于上級計量技術機構所在地(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%，與專用砝碼質量允許誤差±0.008%相比，重力加速度選取不準而引入的誤差顯然不能忽略。因此，在壓力測量時應根據使用地重力加速度值對砝碼質量進行修正。

2 專用砝碼的檢定及質量修正方法

2.1 技術要求

活塞式壓力計專用砝碼的檢定依據JJG99 －2006《砝碼檢定規程》，檢定時應注意以下幾個問題:①首次檢定的活塞式壓力計砝碼和承重盤，其表面應完好，有耐磨防銹層(如發藍、發黑或鍍鉻)的砝碼不得有銹點，同時應光滑無砂眼及其它損傷。②活塞式壓力計各個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同一標稱值的砝碼應具有相同的形狀和尺寸。④如砝碼或承重盤上有調整腔，調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)的活塞式壓力計專用砝碼應使用無磁金屬材料。

2.2 專用砝碼質量修正方法及允許誤差

由于活塞式壓力計專用砝碼的標稱值為其作用在活塞上所產生的壓力值(以kPa，MPa 為單位)，因此，使用時應依據活塞有效面積測量結果將其轉換為相應的質量值。由JJG59 －2007 《活塞式壓力計檢定規程》知，活塞式壓力計測量范圍上限可在0.6，6，25，60，100，160，250，500 MPa 中選取，由上分析，專用砝碼質量計算時應考慮空氣浮力作用及使用地重力加速度對其進行修正，具體計算方法如下。

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，其專用砝碼、活塞及其連接件質量按公式(8)計算:

式中:m 為專用砝碼、活塞及其連接零件質量，kg;p為被測壓力值，Pa;A＇為被檢活塞式壓力計活塞有效面積，m2;ρa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 為活塞式壓力計使用地點的重力加速度，m/s2。

通常計量檢定規程附錄表中給出了全國大多數地區的重力加速度值，對未列入表中地區的重力加速度值，可用公式(9)計算當地的重力加速度。

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

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，配套的專用砝碼必須按順序號放置，專用砝碼、活塞及其連接件質量按公式(10)計算。

式中:mj為按次序加載的第j 塊砝碼的質量，kg;pj為在參考溫度和標準重力加速度下，加載第j 塊砝碼產生的壓力值，Pa;A＇0 為在零壓力和參考溫度下，被檢活塞式壓力計活塞有效面積，m2;g 為活塞式壓力計使用地點重力加速度，m/s2;ρa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，Pa－1。

注:λ 值取決于活塞和活塞筒材料、尺寸及結構，其值用下式計算:

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，變形系數用式(12)計算。

表1 活塞、活塞筒材料的線膨脹系數、彈性模量和泊松比

2.2.3 誤差要求

通過本文所述方法計算出每塊專用砝碼質量的理論值，與上級機構給出的實際測量值相比較，滿足表2規定的誤差要求的可以直接使用，不滿足的應對砝碼質量進行修正(增加或減少配重)，以滿足使用要求。

3 溯源結果的使用

活塞式壓力計在溯源時對專用砝碼質量理論值計算若已根據空氣浮力、使用地點重力加速度、活塞壓力變形系數作了修正，并且實際測量結果滿足相應等級允許誤差要求，溯源結果可直接使用(目前這種情況很少)，否則，使用單位應依據本文3.2 所述方法，結合活塞有效面積周期溯源結果，對專用砝碼質量進行修正，確保專用砝碼質量在表2 所述的誤差允許范圍內。

表2 活塞式壓力計專用砝碼質量最大允許誤差

本文針對部分生產廠家沒有配帶配重砝碼的現象，研究了針對壓力測量結果的修正方法，編寫了相應的轉換軟件，將砝碼的質量修正值轉換為加載該砝碼時所產生壓力值的修正量，增加了本文所述砝碼質量修正方法的實用性。

4 結束語

靶場試驗用壓力儀表測量結果的準確與否，不僅關系著試驗數據的準確性與可靠性，而且影響參試設備及人員的安全。本文分析表明，專用砝碼的質量直接影響活塞式壓力計的壓力測量值，專用砝碼測量的準確度及修正結果直接影響壓力量值傳遞的準確性。因而在活塞式壓力計溯源工作中應特別關注其配套砝碼的溯源，并對溯源結果進行識別，必要時應對專用砝碼質量進行修正，使之在文中所述的誤差允許范圍之內，以確保靶場壓力量值傳遞的準確性與可靠性，進而確保靶場試驗的安全及測試數據的準確性。

［1］國家質量監督檢驗檢疫總局. JJG59 －2007 活塞式壓力計計量檢定規程［S］. 北京:中國計量出版社，2007.

［2］國家質量監督檢驗檢疫總局. JJG99 －2006 砝碼檢定規程［S］. 北京:中國計量出版社，2006.

［3］中航一集團第304 研究所. 計量檢定員培訓教材(壓力)［M］. 北京:2008.

［4］河北省滄州市試驗機廠. YU－6 活塞式壓力計使用說明書［M］. 滄州:2009.

［5］王陽，齊坤，徐維鈞，等. 活塞式壓力計檢定和使用中相關問題探討［J］. 計測技術，2010，30 (6):29 －31.