氣體活塞式壓力計壓力專用砝碼質量的檢定問題

張金亮

(山西省計量科學研究院，山西太原030032)

0 引言

氣體活塞式壓力計是基于流體靜力學平衡原理和帕斯卡定律而進行壓力計量的標準儀器。利用了氣體靈敏度高、流動性強、摩擦阻力小、容易控制等特點。氣體活塞式壓力計靈敏閾高、誤差極小、無污染、檢測數據準確可靠，是一款高準確度壓力計量標準裝置，一般由活塞系統、專用砝碼、壓力校驗器組成，可進行表壓和絕壓的測量和校準。其中，專用砝碼是溯源到質量的。在質量的計量中，砝碼質量有折算質量和真空中質量兩種表達方式，在氣體活塞式壓力計壓力專用砝碼的檢定中，一般均給出其折算質量。根據JJG 1086-2013《氣體活塞式壓力計檢定規程》，專用砝碼質量、活塞及其連接件質量為真空中質量，因此，需對其折算質量與真空中質量進行計算修正。本文從折算質量與真空中質量的概念出發，對活塞及其連接件、專用砝碼質量對氣體活塞式壓力計壓力值的影響作了詳細的分析。

1 氣體活塞式壓力計工作原理

1.1 氣體活塞式壓力計工作原理

氣體活塞式壓力計工作原理是根據靜力學平衡原理和帕斯卡定律，由加放在活塞上的已知作用力G(專用砝碼產生的重力)，與作用于已知活塞有效面積A 上的被測壓力p 所產生的力相平衡。其平衡方程如式(1)所示。

式中:p 為被測壓力值，Pa;G 為專用砝碼產生的重力;A 為活塞有效面積值，m2;m0為活塞桿本身質量值(真空中質量)，包括0 號砝碼，kg;mi為專用砝碼質量值(真空中質量)，kg;g 為使用地點的重力加速度，m/s2。

由式(1)可以看出，被測壓力值p 的準確度與專用砝碼產生的重力及活塞的有效面積值有關，而影響專用砝碼產生的重力的因素有活塞桿本身(包括0 號砝碼)以及專用砝碼的質量、重力加速度、空氣浮力等。

1.2 氣體活塞式壓力計砝碼計量性能要求

根據JJG 1086-2013《氣體活塞式壓力計檢定規程》要求:壓力計活塞及其連接件質量和專用砝碼質量的最大誤差應符合表1 的規定。承重盤和專用砝碼上應標有產品編號、標稱壓力值或標稱質量值，標稱值相同的專用砝碼上還應標有順序編號;各塊專用砝碼的凹凸面必須能正確配合，不得過松或過緊，并能保持同心，取、放自如;如果承重盤或專用砝碼上有調整腔，調整塞的上表面不得高于砝碼或承重盤的表面，壓力計專用砝碼應使用無磁金屬材料。

表1 活塞及其連接件質量和專用砝碼質量最大允許誤差

2 折算質量與真空中質量的概念及其修正

2.1 折算質量與真空中質量

真空中質量即砝碼在真空中測定的真實質量。

折算質量的定義:一物體在約定溫度和約定密度的空氣中，與一約定密度的標準器達到平衡，則標準器的質量即為該物體的折算質量。約定溫度tr為20 ℃;約定的空氣密度ρ0為1.2 kg/m3;砝碼折算質量的約定密度ρref為8000 kg/m3。即當一只實際砝碼與另一材料密度為8000 kg/m3的假想砝碼，在空氣密度為1.2 kg/m3的條件下相平衡，則后者在真空中的質量值就是前者的折算質量。

折算質量值mc與真空中質量值m 的關系見公式(2)。

式中:mc為折算質量;m 為真空中質量;ρa為實際空氣密度;ρm為砝碼密度。

2.2 折算質量與真空中質量的修正

JJG 99-2006《砝碼檢定規程》7.2.1.3 規定當空氣密度相對于1.2 kg/m3變化超過10%時，被檢砝碼的計算應采用真空質量值，折算質量值由真空質量值計算而來。表2 為國內各省市自治區年平均空氣密度表。

由表2 可知，在我國主要城市中，有7 個城市的年平均空氣密度相對于1.2 kg/m3變化超過10%。

以1 kg(真空中質量)不銹鋼砝碼(密度為7800 kg/m3)為例，計算這7 個城市砝碼真空中質量與折算質量的相對誤差，結果見表3。

表2 國內各省市自治區年平均空氣密度 kg/m3

如以0.005 級氣體活塞式壓力計活塞及其連接件質量和專用砝碼質量的最大誤差為±0.001%，如果不進行折算質量與真空中質量的換算，則其不滿足要求。因此，當空氣密度相對于1.2 kg/m3變化超過10%時應進行折算質量與真空中質量的修正。

3 氣體活塞式壓力計專用砝碼的檢定與修正

根據JJG 99-2006《砝碼檢定規程》1.3.9 專用砝碼的定義為:與活塞式壓力計、測力計、張力計、力矩儀、扭矩儀、測功機等儀器配套使用的，或用于檢定標準軌道衡的，由質量單位導出的其他量值單位的砝碼。對于氣體活塞式壓力計專用砝碼，采用砝碼的真空中質量換算成為壓力計量單位帕，其與質量的關系為。

與此同時，《砝碼檢定規程》中規定，一等砝碼采用真空中質量，其余等級的砝碼均采用折算質量，壓力計量中的活塞式壓力計的專用砝碼最多也就是相當于F2等級砝碼，按照質量的檢定規程在質量檢測時給出的質量均為折算質量，而氣體活塞式壓力計用于檢定壓力值時，其專用砝碼質量需采用真空中質量，因此，專用砝碼質量則應該進行折算質量與真空中質量的換算。

氣體活塞式壓力計用于檢定絕壓時，其專用砝碼質量、活塞及其連接件質量按公式(3)計算。

式中:m 為專用砝碼、活塞桿及連接零件的質量，kg;p 為被測壓力值，Pa;A0為被檢壓力計活塞有效面積，m2;g 為壓力計使用地點的重力加速度，m/s2。

氣體活塞式壓力計用于檢定表壓時，其專用砝碼質量、活塞及其連接件質量按公式(4)計算。

式中:m 為專用砝碼、活塞桿及連接零件的質量，kg;p 為被測壓力值，Pa;A0為被檢壓力計活塞有效面積，m2;ρa為壓力計周圍空氣的密度，kg/m3;ρm為專用砝碼、活塞及其連接件材料密度，kg/m3;g 為壓力計使用地點的重力加速度，m/s2。

由式(2)，(3)，(4)，我們可以得到當用折算質量來表達砝碼的質量時，活塞式壓力計產生的壓力P的計算公式如式(5)，(6)。

絕壓模式為

表壓模式為

表4 列出了不同的質量表達方式(折算質量和真空中實際質量)對幾種常見砝碼材料的活塞式壓力計所帶來的影響，兩種方式下，重力加速度為9.8015 m/s2。

氣體活塞式壓力計壓力專用砝碼均使用不銹鋼材料，而托盤則使用鋁為材料，由表4 可以看出，不銹鋼由于折算質量和真空中質量的差異所帶來的誤差約為0.0004%，因此，其對0.005 級氣體活塞式壓力計的影響可以忽略，而鋁的影響的誤差為0.0294%，已遠遠大于氣體活塞式壓力計所允許的誤差。

表4 不同質量表達方式對不同砝碼材料的活塞式壓力計所帶來的影響

4 結束語

壓力是質量的導出量，氣體活塞式壓力計壓力專用砝碼是其復現壓力值的主要來源，因此，其專用砝碼質量計算的準確與否，對氣體活塞式壓力計的準確度有著重要的影響。而在砝碼檢定中，有折算質量與真空中質量兩種表達方式，根據文中所述，折算質量與真空中質量的差值，受到空氣密度的影響，當空氣密度相對于1.2 kg/m3變化超過10%時，應進行折算質量與真空中質量的修正;對于氣體活塞式壓力計活塞桿及其連接件質量以及壓力專用砝碼質量的檢定，其活塞桿及其連接件以及壓力專用砝碼的材質對真空中質量與折算質量的修正也有著一定的影響，為確保氣體活塞式壓力計壓力值的準確度，對其進行檢定時，應進行折算質量與真空中質量的修正。

［1］國家質量技術監督檢驗檢疫總局.JJG99-2006 砝碼檢定規程［S］.北京:中國計量出版社，2007.

［2］國家質量技術監督檢驗檢疫總局.JJG1086-2013 氣體活塞式壓力計檢定規程［S］.北京:中國計量出版社，2013.

［3］姚弘.砝碼［M］.北京:中國計量出版社，2007.

［4］李燕華.活塞式壓力計專用砝碼質量在計算和修正中的問題［J］.計量技術，2007(4):50-52.