0.02級活塞式壓力計測量標準不確定度研究

于大洋 劉業路 吳紅肖 孔慶有 程昊

中國航發沈陽發動機研究所 遼寧 沈陽 110001

引言

在壓力測量領域，活塞式壓力計以其準確度高、長期穩定性好、操作簡單、溯源方便而成為最常用的測量標準，而測量不確定度是衡量活塞式壓力計綜合性能最重要的指標。

1 活塞式壓力計工作原理

0.02級活塞式壓力計是由活塞筒、活塞桿和砝碼等組成的系統。它是以流體靜力平衡原理及帕斯卡定律為基礎測量壓力的，即壓力通過工作介質作用在活塞底面產生的力和加在活塞上端的砝碼及活塞本體的重力相平衡[1]。

2 數學模型

式中：

m—活塞、砝碼和連接件總質量；g—活塞壓力計所在位置重力加速度；aρ—活塞工作地點空氣密度；mρ—砝碼密度；θ—活塞軸線與重力方向的夾角；0A—活塞組件在零壓和20℃下有效面積；t—活塞組件工作溫度；λ—活塞材料壓力形變系數；ip—工作壓力值的名義值；?！黧w的表面張力系數；C—活塞的周長；ρ—工作介質密度；h—壓力測量點至活塞參考平面的距離；

采用相對靈敏系數，求得相應分量的相對靈敏系數為：

表1 活塞式壓力計輸入量及其相對靈敏系數

3 不確定度的來源

活塞有效面積引入的相對標準不確定度；標準專用砝碼引入的相對標準不確定度；當地的重力加速度引入的相對標準不確定度；環境溫度影響引入的相對標準不確定度；活塞垂直度影響引入的相對標準不確定度；活塞彈性形變引入的相對標準不確定度；液位差引入的相對標準不確定度；活塞工作地點空氣密度引入的相對標準不確定度；流體的表面張力系數引入的相對標準不確定度；測量重復性引入的相對標準不確定度[3]。

4 標準不確定度評定

下面以（0.1～10）MPa活塞式壓力計為例，詳述活塞式壓力計不確定度評定過程。

4.1 活塞有效面積引入的相對標準不確定度

4.2 標準專用砝碼引入的相對標準不確定度

4.3 當地的重力加速度引入的相對標準不確定度

4.4 環境溫度影響引入的相對標準不確定度

4.5 活塞垂直度影響引入的標準不確定度

4.6 活塞彈性形變引入的相對標準不確定度

4.7 液位差引入的相對標準不確定度

液位差修正后引入的誤差不超過1mm，變壓器油密度為ρ1=895kg/m3，重力加速度 g＝9.8035m/s2，由于活塞量程10%以下為不靈敏區，故按10%FS計算，服從均勻分布，得：

4.8 活塞工作地點空氣密度引入的相對標準不確定度

4.9 表面張力系數引入的相對標準不確定度

查活塞式壓力計檢定證書得，A0=0.5013871cm2，由于活塞量程10%以下為不靈敏區，故壓力值取10%FS，計算得到

4.10 測量重復性引入的相對標準不確定度

以0.02級活塞式壓力計在1300kPa點對一臺穩定的數字壓力計做10次重復性測量，測得數據如下。

表2 重復性測量數據

則相對不確定度分量為：

5 該標準的合成標準不確定度

6 擴展不確定度

取置信因子k＝2，則置信概率約為95% ，則相對擴展不確定為：

7 結束語

本文介紹了0.02級活塞式壓力計測量不確定的評定過程與方法，通過完整的數學模型的建立，便于全面識別不確定度的來源。由于測量模型相對復雜，采用相對靈敏系數的計算方法，簡化了計算過程。通過對各不確定度影響因素的分析，計算得到活塞式壓力計擴展不確定度，滿足0.02級活塞式壓力計的預期使用要求，真實完整地反映了設備的計量特性。