高精度氣體活塞壓力計的改造設計與航空應用

邢 威

（中國航發沈陽發動機研究所，遼寧 沈陽 110015）

引言

氣體活塞式壓力計是使用氣體介質并潤滑的、高精度的靜重標準壓力儀器，被廣泛應用于航空、航天、兵器、機械、船舶、氣象、儀表等多項不同領域。美國RUSKA公司2 465型高精度氣體活塞壓力計是中國航發沈陽發動機研究所壓力專業最高計量標準，承擔著所發動機試車數據可靠性的量值傳遞。使用多年來，為所型號試制任務做出了卓越貢獻。但經過多年使用，其硬件部分已老化，高量程活塞在檢定過程中漏氣現象明顯，致使相關校準工作無法正常進行。此外，輔助設備2411砝碼計數器一直存在頻繁丟失原始數據的情況，重新錄入基礎數據大概需2~3 h，嚴重影響工作效率。由于購置新設備批復有較大難度，為保證發動機試車采集準確數據，確保試車進度，提出對該氣體活塞壓力計進行改造設計。

1 改造目的及要求

為滿足實驗室檢定能力需要，工作更加方便快捷，在原有硬件設備基礎上增加了自動調壓和計算功能，對系統流程進行技術改進，提高壓力計的工作效率的同時，保證壓力計原有精度要求。活塞壓力計主要技術指標：（0～25）psi、（0～100）psi、（0～1 000）psi，不確定度為0.003 5%。

2 活塞壓力計原理

該標準主要由活塞壓力計、2411自動轉換器和2461手操器三部分組成。活塞壓力計是由共用一個底座的三個不同量程的活塞及活塞筒組成。它是根據帕斯卡原理、流體靜力學力平衡原理為基礎進行壓力計量，其活塞系統工作介質與傳壓介質為同一種氣體，其不僅能測量表壓，而且還能測量絕壓，如圖1所示。

氣體活塞式壓力計有一個真空玻璃罩，這個真空玻璃罩在進行絕壓測量時起了重要作用。為了在測量時保持活塞和專用砝碼與活塞筒之間的相對轉動，利用電機來完成。

3 改進設計

活塞壓力計自動檢定系統的硬件結構主要包括計算機、高精度壓力控制器、采集卡、壓力真空泵及壓力氣源等硬件設備組件，見圖2。通過計算機的RS232接口連接形成回路，實現自動化控制校準。活塞系統的改進主要從自動調壓和砝碼自動轉換計算兩方面進行。

3.1 自動調壓設計

針對手動調壓解決不了活塞泄露的弊端，改造目標從自動調壓入手。最終技術人員受數字壓力控制器使用過程啟發，采用自動控制來解決調壓問題，經過多次反復實驗驗證，控制效果穩定。控制系統調節系統內部壓力使活塞浮起到適當的位置上，加減壓過程要緩慢，對低壓活塞要小于15 psi/min，其他的要小于100 psi/min。

3.2 2411砝碼自動轉換器改進設計

2411砝碼自動轉換器是活塞壓力計的輔助配套設備，易發生丟失原始數據的故障，重新錄入大約需2～3小時。為了解決這一問題，設計了2411自動計算軟件，通過內置的測壓、測溫及高度傳感器裝置，采集模擬信號，參與公式計算，得出需要加載的相應砝碼：

式中：Mdwg為活塞處于平衡位置時，所需加載的砝碼質量；M為壓力平衡時活塞筒與砝碼的總質量；Mp為活塞筒自重，而M可由式（2）算得：

式中：Pdwg為活塞與砝碼處于平衡時所承受的壓力，MPa；A0為活塞零壓力和參考溫度時的代表面積，m2；b1為活塞/活塞筒彈性形變第一系數，1/MPa；b2為活塞/活塞筒彈性形變第二系數，1/MPa2；c為活塞/活塞筒溫度系數，1/℃；t為活塞系統的溫度，℃；r為A0的參考溫度，℃；k=1.0×10-8；g1為當地重力加速度，cm/s2；pa為當地空氣密度，g/cm3；pb為砝碼材質密度，g/cm3。

4 系統驗證及不確定度分析

4.1 測量不確定度評定

活塞測壓的數學模型為：

式中：p為當活塞處于工作位置時，活塞所產生的壓力，Pa；mi為活塞、活塞承重盤、連接件以及專用砝碼質量，kg；g為當地重力加速度，m·s-2）；ρa為當地空氣密度，kg·m-3；ρmi為砝碼密度，kg·m-3；ρ1為介質密度，kg·m-3；λ為壓力形變系數，MPa-1；A0為在參考溫度和當地大氣壓下的活塞有效面積，m2；ti為工作時活塞溫度，℃；h為活塞參考平面與測量平面的差，m；α為活塞組熱膨脹系數，α=αp+αc；αp為活塞桿熱膨脹系數，℃-1；αc為活塞筒熱膨脹系數℃-1；Γ為活塞表面張力系數，N/m；pref為活塞參考端壓力，Pa。

由于該氣體活塞壓力計即可表壓測量又可絕壓測量，下面就以表壓測量為例進行分析，由于使用是氮氣作工作介質，所以，表面張力可以忽略不計，規程規定參考溫度20℃，公式（3）可以簡化為：

由式（4）可知不確定度分量有下面幾分量組成，m、g、α、A、h、t等，還要考慮活塞垂直度引起的不確定度，下面具體分析。

4.1.1 活塞有效面積的不確定度

根據上級檢定機構給出的三個活塞有效面積的相對擴展不確定度為0.002 5%，k=2，則其標準不確定度為：

4.1.2 活塞、砝碼質量的不確定度

由上級檢定機構給出的活塞、砝碼質量擴展不確定度為1×10-5，k=2，其標準不定度為：

4.1.3 重力加速度的不確定度

本地重力加速度值由國家基礎地理信息中心獲得。其精度可達10-8，作為基本點的點位距本標準工作地點1 km左右，故此項誤差可以忽略。

4.1.4 溫度變化引起的不確定度

該活塞壓力計采用鉑電阻進行測溫，其的最大誤差按0.15℃計算，按均勻分布對待，k=，則：

4.1.5 垂直度引起的不確定度

活塞的安裝以及活塞本身結構有可能造成活塞軸線的不垂直，從而使加在活塞有效面積上的力小于活塞以及砝碼所產生的重力，如果θ為軸線傾斜角度，那么傾斜帶來的影響量為（1-cosα）p,通常規程規定，活塞安裝垂直度要小于2'，所以帶來的不確定度應為：

4.1.6 壓頭修正

由于被檢儀表參考平面與標準活塞底面高度差引起的壓頭修正儀表通過計算機自動進行，儀表說明書給出當溫度在20～30℃范圍內壓力修正的最大擴展不確定度在7MPa時為2.8×10-6/in=1.1×10-6/cm，位置差0.1 cm,k=2則：

4.1.7 該標準的合成標準不確定度u c

取k=2，則該標準的擴展不確定度為：

該值小于儀表出廠時給定的0.003 5%擴展不確定度。

4.2 重復性驗證

選高精度數字壓力控制儀作為驗證對象結果如下：選美國FLUKE公司的準確度等級為0.005（讀數精度）的7252型數字壓力控制儀，在20℃、相對濕度45%環境條件下，選取80 psi為檢定點進行重復檢定觀測，結果如表1所示。

表1 重復性觀測值

而相對測量重復性應為：

4.3 穩定性驗證

仍取編號為No.68 993的FLUKE 7252，用于氣體活塞的穩定性測量。標準壓力值仍為80.000 psi，觀測值見表2。

表2 穩定性觀測值

總平均值為：

則：

其相對穩定性應為：

其值小于U95，故測量標準的穩定性驗證合格。

4.4 技術指標

改進后的壓力活塞系統在保證原有精度的基礎上，工作效率有明顯提升，是原有工作效率5～8倍，現技術指標如表3所示。

表3 改進后的技術指標

5 結論

高精度氣體活塞壓力計的自動化改造設計，既有效解決了活塞漏氣造成的補壓難問題，也徹底彌補了不容易上手，操作復雜的弊端。通過增加自動調壓及實時測量并修正環境影響功能，計算并給出所需加載的砝碼值，控制整個系統協調工作，用戶可通過程序控制完成校準任務。改進后的活塞在保證原有精度的同時還保留了手動調壓功能，以滿足微調時的壓力補償，可與自動調壓同步進行，穩壓效果更佳，降低了人為因素所導致的檢定誤差，更在一定程度上避免了因操作失誤而導致活塞卡滯。通過多年的實際應用證明，新活塞系統能夠確保發動機壓力測試數據準確可靠，保證發動機試車任務的順利開展，每年為所節省了數十萬元的檢定經費，更為型號試制工作提供重要支撐。