活塞式壓力計和高度差測量的研究

Research on the Height Difference Measurement and Piston Gauges

李海兵　塔伊爾·斯拉甫力　卓　華

(新疆維吾爾自治區計量測試研究院，新疆 烏魯木齊　830011)

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活塞式壓力計和高度差測量的研究

Research on the Height Difference Measurement and Piston Gauges

李海兵塔伊爾·斯拉甫力卓華

(新疆維吾爾自治區計量測試研究院，新疆 烏魯木齊830011)

摘要：活塞式壓力計是壓力計量領域使用最廣泛的標準器。以活塞式壓力計為標準器時，其與被測壓力類儀表的高度差是重要的影響量。考慮測量高度差時需要測量活塞的下端面，對不同構造(規則圓柱體或具有限位裝置和空心結構的不規則體)的活塞進行分析，提出了測量原理、方法和過程。分別對油介質和氣介質的活塞式壓力計進行計算，結果顯示油介質活塞式壓力計未進行高度差修正時對測量結果影響較大，而氣介質活塞式壓力計對高度差的影響較小。

關鍵詞：壓力測量傳感器變送器誤差精度儀器儀表信號傳輸校準

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

活塞式壓力計以其較高的準確度、較好的長期穩定性，成為壓力真空計量領域使用廣泛的標準器。活塞有效面積的測量方法分為起始平衡法和直接平衡法。使用直接平衡法時，需要準確測量高度差。對于高度差的測量，最重要的問題是準確確定活塞參考面，選擇盡量準確的測量方法來測量參考面的高度[1-6]。無論活塞式壓力計的工作介質是氣體或液體，氣柱或液柱高度差在重力作用下引起的測量誤差都不容忽視，必須進行測量。首先必須確定一個參考位置，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時應使標準與被測數字壓力計的參考端在同一水平面上，應重視高度差修正[9-10]。下面對于規則圓柱體和非規則活塞(底部有限位結構和內部中空結構的活塞)，討論和分析活塞下端面的測量原理、方法和過程。

1活塞高度的測量原理

1.1規則圓柱體的活塞

對于規則圓柱體的活塞，其活塞的下端面為參考面，只需測量參考面的高度即可。圓柱體活塞的構造圖如圖1所示。

圖1　圓柱體活塞的構造圖

活塞分為Ⅰ、Ⅱ(虛斜線部分)兩部分，p1、p2、p3分別對應水平面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，進入工作介質中的部分為Ⅱ，重力為G，浮力為F浮，粘滯力為f，g為當地的重力加速度。

對于活塞建立平衡方程：(p1-p2)S0=G-F浮-f，

對活塞的Ⅱ部分進行受力分析：FⅡ浮=GⅡ=ρmgS0H,可得：

(1)

對于規則圓柱體的活塞，其有效面積參考面處于p3所在的水平面，測量高度差時只需測量活塞桿的最底部即可。

1.2底部有限位結構的活塞

討論底部具有限位結構的活塞，其結構如圖2所示。限位結構(Ⅰ和Ⅱ)位于活塞桿的底部，Ⅲ為理論計算模擬部分。對活塞限位結構部分進行理論分析，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　具有限位結構的活塞結構圖

對于4臺不同測量范圍的活塞式壓力計，根據實測活塞參數計算得到的高度修正值以及未修正帶來的影響列于表1中。

在本地區使用表1中測量范圍為2~70 MPa的活塞式壓力計，以癸二酸二異辛酯為介質，工作環境的溫度為(20.0±0.1)℃。當該活塞式壓力計產生2 MPa的標準壓力時，因液柱高度差測量不準帶來的相對誤差為：

η=Δp/ps=(ρf-ρa)gΔH/ps

(2)

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

同理，各活塞式壓力計在其測量下限使用時限位結構未修正帶來的相對誤差見表1。由此可見未對限位結構修正的活塞式壓力計，其準確度等級遠遠不能滿足0.05級的要求。

表1　具有限位結構的活塞高度的計算值

1.3中空結構的活塞

對于測量下限較小的氣體活塞式壓力計，若采用合金鋼材質的活塞系統，其內部一般為空心結構，如圖3所示。圖3中，Ⅰ和Ⅱ為圓環結構，Ⅲ為模擬部分。

圖3　具有中空結構的活塞構造

表2　具有中空結構的活塞高度的計算值

2測量方法和過程

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

圖4　測量過程示意圖

3高度差測量的應用

選用液體為介質的活塞式壓力計，應使精密表指針軸與活塞壓力計活塞的下端面處于同一水平面，當液柱高度差產生的壓力超過被檢表最大允許誤差的1/10時，應對由此產生的誤差按公式Δp=ρgΔH[11]計算得出。ΔH的測量方法如圖5所示。

根據測量方法測出活塞的高度H1，并測量精密表指針軸所在水平面的高度H2，則ΔH=H2-H1。

圖5　高度差測量示意圖

4結束語

在準確測量活塞的高度時，關鍵是確定參考面。規則圓柱體結構的活塞的下端面即為參考面;而非規則的活塞的參考面：對于油介質的活塞式壓力計，限位結構帶來的誤差影響其作為標準器的使用；以氣體為介質時，其中空結構帶來的誤差影響較小。只有掌握了活塞高度參考面的測量原理和方法，才能減小測量過程中的誤差，保證壓力量傳的一致性和準確性。

參考文獻

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中圖分類號：TP216;TH812

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602019

國家質檢總局科技計劃基金資助項目(編號：2013QK079) 。

修改稿收到日期：2015-03-20。

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