傾斜式微壓計誤差來源分析

李彥平，馬亞運

（青海省大氣探測技術保障中心，青海 西寧 810003）

傾斜式微壓計又叫斜管壓力計，是一種可見液體彎面的多測量范圍液體壓力計，可作為測量2000Pa 以下不溶于乙醇的氣體的正壓、負壓或壓差的測量儀器使用，與皮托管配套使用可測量氣體流速。傾斜式微壓計因其測量精度高、機械結構穩定、不易受環境條件影響的特點，是風速類和氣壓類儀器的檢定標準設備之一。但使用過程繁瑣，測量誤差大一直是該設備存在的問題之一。通過解析傾斜式微壓計的工作原理，分析了使微壓計產生測量誤差的幾個主要因素，并利用實驗的方法對各要素的影響做了具體討論。

1 傾斜式微壓計工作原理

1.1 傾斜式微壓計結構

傾斜式微壓計主要由測量管（1）、底座（2）、水準器（3）、寬廣容器（4）、零位調節器（5）、多向閥（6）、加液蓋（7）、弧形支架（8）等組成。如圖1 所示。

圖1 斜管微壓計結構原理圖

1.2 傾斜式微壓計工作原理

傾斜式微壓計是基于流體靜力學原理，利用液柱的高度差測量壓力的一種計量儀器，特點是測量管與水平面成一定角度，能將較小的液柱高度差按一定比例放大，提高測量的分辨力[1]，其工作原理可用公式表示:

式中p 是傾斜式微壓計的測量壓力值，ρ0是傾斜式微壓計銘牌上標出的工作液體密度，g 是當地的重力加速度，h 是液面變化的垂直高度。液面高度的變化關系如圖2 所示。

圖2 傾斜式微壓計工作原理

h1是在寬廣容器內的液面的下降高，h2是垂直方向的上升高度度，L 是該傾斜常數上斜管微壓計的液柱高度值，α 是斜管傾角，則對應的幾何關系是：

用K 表示傾斜式微壓計的傾斜常數：

因此測量壓力值可以表示為：

2 誤差來源分析

（1）水平泡手動調整平衡；（2）標稱工作溶液的配置；（3）人工讀數；（4）酒精蒸發；（5）機械結構產生的誤差等。

2.1 水平泡手動調整平衡

傾斜式微壓計調平過程：測量前需將儀器放置在平穩且無震動的平臺上，調整底板左、右兩個水準調節機腳，通過觀察水平泡，使儀器處于水平位置。若水平泡指示失準，或水平泡未調平時，寬廣容器內的溶液與水平線產生誤差傾角β，則

通常在測量過程中K 值是固定的，例如，使用0.81g/cm3的酒精溶液作為標稱工作液體時，K 取0.0439，那么誤差傾角β 帶來的誤差值將會反應在傾斜管內的液面高度上。當β 值為正值，則L 值會偏大，導致測得的壓力值偏大；若誤差傾角β 值為負值，則L 值會偏小，導致測得的壓力值偏小。

2.2 標稱工作溶液的配置

傾斜式微壓計的標稱工作液體是密度為0.81g/cm3的酒精溶液，又稱K 酒溶液，配比指的是工作溶液中酒精和蒸餾水的比例。當K 酒溶液配比數值發生變化，工作液體的密度就會發生變化，傾斜式微壓計測出的壓力值也會發生相應的變化。公式（1）中被測壓力值與工作液體密度成正比，所以當工作液體密度減小，壓力值相較于真實值偏小，工作液體密度增大時，所測壓力值相較于真實值偏大。實際使用中，工作溶液密度以購買的酒精溶液為準，當酒精密度不能達到標稱工作溶液標準時，按公式（7）計算其測量的壓力值。

P 是實際壓力值，ρ 是實際工作液體密度。

2.3 人工讀數

傾斜式微壓計使用過程中，傾斜管內的液柱高度值需要人工讀取，斜管的分辨率是1mm，估讀到0.1mm。此時誤差值產生的主要原因是誤讀和視差。若在讀數過程中L誤大于實際液面高度，則算出的壓力值P誤將大于真實值；若在讀數過程中L誤小于實際液面高度，則算出的壓力值P誤將小于真實值。

2.4 酒精蒸發

另一種導致工作液體濃度發生變化的原因是液體的蒸發。在使用傾斜式微壓計的過程中，寬廣容器中工作液體的表面積、溫度和通風狀況相同的情況下，由于酒精的蒸氣壓（44.5mm 汞柱）大于水的蒸氣壓（17.5mm 汞柱），所以工作液體中酒精比水蒸發得快，使酒精溶液濃度減小，密度增大，使所測壓力值相較于真實值偏大。

2.5 機械結構誤差

機械結構產生的誤差主要來自傾斜式微壓計內部各通道積累的阻塞物影響工作溶液密度和密封性能降低導致氣壓損失等等。

通道阻塞是由于酒精溶液長時間放置于寬廣容器中產生沉淀，多向閥內部結構容易出現阻塞，在測量過程中，工作液體無法順利從寬廣容器流向測量管，則測量管內液柱高度值相較于準確值偏小，最終導致測的壓力值偏小。

傾斜式微壓計使用的橡皮管老化，與閥門接頭及傾斜管上端接口連接不緊密，導致密封性能降低，產生以下四種情況：

1）無法排凈存留在正壓容器和傾斜管道之間的氣泡，導致傾斜管內液面無法達到零點高度，傾斜管內液面高度相較于真實高度偏小。

2）當被測壓力值高于大氣壓力，閥門“+”壓接頭密封性降低，則測量時寬廣容器內的液面無法被順利壓入傾斜管內，傾斜管內液面無法到達壓力值相應高度。

3）當被測壓力值低于大氣壓力，閥門“-”壓接頭及傾斜管上端接口密封性降低，則測量時傾斜管內液面無法順利被負壓吸入。

4）當測量壓力差時，閥門“+”壓接頭、閥門“-”壓接頭及傾斜管上端接口密封性均降低，則溶液液面同樣無法達到相應的高度。

以上四種情況都會導致測量值偏小。

3 實驗部分

由于機械結構產生的誤差是由內部的阻塞物、調節裝置老化、密封性能降低等多種因素導致的，很難量化，所以實驗中只討論人工誤差的影響。

3.1 溶液配比誤差實驗

用95%的乙醇和蒸餾水配置三種濃度不同的溶液，分別作為標稱工作溶液測量同一風壓值，對比測量結果。具體配置方法見表1。

表1 溶液配比參數

實驗風壓由風速發生裝置提供，該裝置經第三方檢測并出具證書，具備風速標定能力。給出2～5m/s 的10 個風速點，分別測量風壓產生的液柱變化高度Δh，測量結果見表2。

表2 不同濃度溶液的風壓測量結果

溶液3 的液體濃度接近標稱工作溶液，其測量結果理論上更接近真實值。從圖3 不同濃度溶液的風壓測量結果曲線圖可以看出，溶液1 和溶液2 的測量結果較標稱工作溶液的測量結果有明顯偏差，當風壓一定時，溶液密度和測量值成正比。

圖3 不同濃度溶液的風壓測量結果

將溶液3 視為標稱工作溶液，表3 是在各風壓點上不同濃度酒精溶液和標稱工作溶液產生的液柱高度變化量之間的誤差統計。

隨著風速增大，不同濃度溶液的液柱變化高度和標稱溶液液柱高度的差值越來越大，即風速越大，溶液濃度變化產生的誤差越大。

3.2 酒精蒸發實驗

將上述實驗中使用的95%的酒精溶液注入斜管壓力計中，并保持加液蓋敞開狀態，在靜置2h 和4h 時，按3.1 中的方法，測量10 個風速點的風壓產生的液面高度差，得到表4。

試驗數據可以看出，靜置過程中溶液蒸發使酒精溶液的密度發生變化，進而影響了測量值，具體的表現是：靜置時間越長，酒精溶液密度變大，同一風速值產生的液柱高度變化量增大，即測量風壓值較真實值偏大。

表3 誤差統計

表3 蒸發實驗數據

4 結論

1）傾斜式微壓計的誤差來源于水平泡調整平衡、標稱工作溶液配置、人工讀數、酒精蒸發和機械結構誤差等。

2）水平泡手動調整液面和水平面誤差傾角β為負值、人工讀數液面小于實際液面高度會導致測的壓力值偏小；而誤差傾角β 為正值、工作液體密度增大、人工讀數液面高于實際液面高度、工作溶液蒸發則會導致測的壓力值偏大。

3）使用中應注意提高水平泡手動調平、K 溶液濃度配比、人工讀數的精確度；減少容器內酒精溶液的蒸發；測量前檢查傾斜式微壓計內部結構是否阻塞，儀器密封性能是否良好，水平泡指示是否準確，以減少機械誤差的影響，得到準確的測量值。