摘 要:活塞式壓力計(jì)作為一個(gè)壓氣力量值傳遞的重要計(jì)量尺度裝置,其重要性可想而知。但是活塞式壓力計(jì)的計(jì)量過程對操縱者的實(shí)際操縱等一系列經(jīng)驗(yàn)積累水平有非常高的要求,且繁雜的操縱過程會造成計(jì)量工作者的主觀意愿引入其他誤差,影響量值傳遞的正確性。尤其是在活塞調(diào)平這一過程中,沒有相稱的經(jīng)驗(yàn)積累和活塞式壓力計(jì)操縱手感是根本無法完成的。針對這一挫折引入差壓變送器到活塞式壓力計(jì)的計(jì)量過程中,簡化操縱過程,使活塞式壓力計(jì)的計(jì)量更輕易被學(xué)習(xí)和把握,保證壓氣力量值傳遞的正確可靠。
引 言
壓力計(jì)量基準(zhǔn)器為國家壓力基準(zhǔn)裝置,國家壓力基準(zhǔn)裝置主要由一套相同結(jié)構(gòu)的5個(gè)活塞系統(tǒng)組成 [1 ] 。壓力工作基準(zhǔn)也由0.005級活塞式壓力計(jì)構(gòu)成,其次有0.01級活塞式壓力計(jì)、0.02級活塞式壓力計(jì)、 0.05級活塞式壓力計(jì)以及其他壓力計(jì)量用具構(gòu)成了壓力計(jì)量用具檢定系
統(tǒng)表;钊綁毫τ(jì)具有丈量范圍寬、丈量正確度高、結(jié)構(gòu)簡樸計(jì)量機(jī)能不亂、易于量值溯源等上風(fēng)。其作為壓力尺度在壓氣力量值傳遞中的地位也就可想而知了。因此活塞式壓力計(jì)的計(jì)量也就變得尤為重要。
1 活塞壓力計(jì)簡介
活塞式壓力計(jì)是根據(jù)帕斯卡原理、流體靜力學(xué)平衡原理為基礎(chǔ)進(jìn)行壓力計(jì)量的 [1 - 2 ] ;钊綁毫τ(jì)主要有活塞系統(tǒng)(活塞和活塞筒組成)、專用砝碼和校驗(yàn)器3大部件組成。活塞系統(tǒng)作為活塞式壓力計(jì)的核心部件,活塞和活塞筒是活塞式壓力計(jì)核心數(shù)據(jù)———活塞有效面積的來源;專用砝碼是根據(jù)活塞有效面積與使用地重力加速度經(jīng)由計(jì)算,加工的具有固定質(zhì)量用于復(fù)現(xiàn)尺度壓力值的圓盤型砝碼 [2 - 3 ] ;校驗(yàn)器也稱為造壓泵或壓力計(jì)底座,主要由壓力泵、連接管和閥門組成,用于安裝活塞系統(tǒng)且有造壓功能的裝置。
活塞式壓力計(jì)壓力產(chǎn)生的原理如式(1 )所示:P =mg/ A e (1 )
式中: P 為活塞產(chǎn)生的壓力; m 為專用砝碼的質(zhì)量;g 為使用地的重力加速度; A e 為活塞的有效面積。
2 活塞式壓力計(jì)的計(jì)量
結(jié)合 JJG59 - 2007 《活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程》的要求,活塞式壓力計(jì)的計(jì)量檢定是在相應(yīng)的環(huán)境前提下(不同正確度等級都有與之對應(yīng)的溫度和濕度要求)進(jìn)行的,檢定項(xiàng)目主要包括外觀檢查、活塞系統(tǒng)檢查、專用砝碼和稱重盤檢查、活塞有效面積丈量、專用砝碼質(zhì)量丈量、垂直度丈量、活塞滾動延續(xù)時(shí)間丈量、活塞滾動下降速度丈量、鑒別力測 量、密 封 性 檢 測、活 塞 有 效 面 積 周 期 變 化 率 判斷 [2 , 4 ] 。其中活塞有效面積丈量是整個(gè)活塞式壓力計(jì)的計(jì)量檢定的核心工作。本文主要針對活塞有效面積丈量進(jìn)行研究。
2.1 活塞有效面積丈量
活塞有效面積丈量主要包括直接平衡法和起始平衡法兩種 [5 - 6 ] 。
直接平衡法:
1 )確定尺度活塞式壓力計(jì)與被檢活塞式壓力計(jì)的活塞及其連接件質(zhì)量;
2 )丈量兩套活塞式壓力計(jì)參考平面的高度差; 3 )開始平衡點(diǎn)的丈量,第一平衡點(diǎn)壓力值一般 選 擇 活 塞 式 壓 力 計(jì) 測 量 范 圍 上 限 的 10% ~20% ,分別在兩套壓力計(jì)上加載相應(yīng)的專用砝碼,校驗(yàn)器加壓使尺度與被檢活塞式壓力計(jì)都升至工作位置,此過程中兩套壓力計(jì)均應(yīng)以 30~60r / min 的速度順時(shí)針滾動保持在各自的工作位置。如不平衡,在上升活塞上加載相應(yīng)的小砝碼,直至平衡。然后以同樣辦法依次升壓、降壓丈量其他檢定點(diǎn),檢定點(diǎn)一般不少于 5 個(gè)。根據(jù)丈量數(shù)據(jù)計(jì)算得到被檢活塞的有效面積。直接平衡法的平衡原理如式(2 )所示:
式中: m 標(biāo)碼 i 為第 i 個(gè)平衡點(diǎn)尺度活塞式壓力計(jì)加載的尺度砝碼質(zhì)量; m 檢碼 i 為第 i 個(gè)平衡點(diǎn)被檢活塞式壓力計(jì)加載的尺度砝碼質(zhì)量; m 標(biāo)活 為尺度活塞式壓力計(jì)活塞及其連接桿質(zhì)量; m 檢活 為被檢活塞式壓力計(jì)活塞及其連接桿質(zhì)量;ρ 標(biāo)碼為尺度活塞式壓力計(jì)加載砝碼的密度;ρ 檢碼 為被檢活塞式壓力計(jì)加載砝碼的密度;ρ 標(biāo)活 為尺度活塞式壓力計(jì)活塞及其連接桿均勻密度;ρ 檢活 為被檢活塞式壓力計(jì)活塞及其連接桿均勻密度;ρ a 為空氣密度; ρ 介 為活塞式壓力計(jì)使用介質(zhì)的密度; A 標(biāo) 為尺度活塞式壓力計(jì)的有效面積;A 檢 i 為第 i個(gè)平衡點(diǎn)計(jì)算得到的被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積;g 為當(dāng)?shù)刂亓铀俣;?為尺度活塞式壓力計(jì)與被檢活塞式壓力計(jì)工作位置的高度差(尺度活塞式壓力計(jì)工作位置高度減去被檢活塞式壓力計(jì)工作位置高度)。被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積均勻值為非常終的被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積如式(3 )所示:
式中:n 平衡點(diǎn)的丈量次數(shù)。
起始平衡法:
1 )起始平衡點(diǎn)的確定,一般選擇活塞式壓力計(jì)丈量范圍上限的 10%~20% 壓力值的點(diǎn)作為起始平衡點(diǎn),分別在兩套壓力計(jì)上加載相應(yīng)數(shù)目的砝碼,校驗(yàn)器加壓使尺度與被檢活塞式壓力計(jì)都升至工作位置,此過程中兩套壓力計(jì)均應(yīng)以 30~60r / min 的速度順時(shí)針滾動保持在各自的工作位置,如不平衡,在上升活塞上加載相應(yīng)的小砝碼,直至平衡。起始平衡后,壓力計(jì)上加載的所有砝碼作為起始平衡質(zhì)量,保持不變;
2 )以同樣辦法依次升壓、降壓丈量其他檢定點(diǎn),檢定點(diǎn)一般不少于 5 個(gè)。根據(jù)丈量數(shù)據(jù)計(jì)算得到被檢活塞的有效面積。起始平衡法的平衡原理如式(4 )所示,
式中: m 標(biāo)碼(i +1 ) 為第( i +1 )個(gè)平衡點(diǎn)尺度活塞式壓力計(jì)加載的尺度砝碼質(zhì)量; m 檢碼(i +1 ) 為第( i +1 )個(gè)平衡點(diǎn)被檢活塞式壓力計(jì)加載的尺度砝碼質(zhì)量; m標(biāo)碼1為起始平衡點(diǎn)尺度活塞式壓力計(jì)加載的尺度砝碼質(zhì)量; m檢碼1為起始平衡點(diǎn)被檢活塞式壓力計(jì)加載的尺度砝碼質(zhì)量;ρ 標(biāo)碼 為尺度活塞式壓力計(jì)加載砝碼的密度;ρ 檢碼 為被檢活塞式壓力計(jì)加載砝碼的密度;ρ a 為空氣密度; ρ 介 為活塞式壓力計(jì)使用介質(zhì)的密度; A 標(biāo) 為尺度活塞式壓力計(jì)的有效面積;A 檢( i +1 ) 為第(i +1 )個(gè)平衡點(diǎn)計(jì)算得到的被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積;g 為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/div>
被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積均勻值為非常終的被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積如式(5 )所示:
式中:n 為平衡點(diǎn)的丈量次數(shù)。
2.2 常用方法的弊端
兩種丈量方法的樞紐都是每個(gè)檢定點(diǎn)通過在上升活塞上加載小砝碼的方式,使兩套活塞式壓力計(jì)同時(shí)達(dá)到各自的平衡位置(工作位置)。這也是在實(shí)際操縱過程中的難點(diǎn),其主要依賴活塞位置指示裝置來實(shí)現(xiàn)的,活塞位置指示裝置非經(jīng)常用的有燈影位置指示和電磁位置指示兩種。長時(shí)間盯著燈影或指示表針,而且要用調(diào)整砝碼的方法使燈影或指示表針在每個(gè)檢定點(diǎn)上都達(dá)到固定的指示位置視為是達(dá)到每套活塞的各自平衡位置。此過程中存在的題目包括:
1 )長時(shí)間盯著燈影或指示表針進(jìn)行調(diào)整,會對調(diào)整者造成視覺疲憊,進(jìn)而引入誤差;
2 )目測燈影或指示表針的方法,自身讀數(shù)存在誤差較大,操縱者的主觀意愿影響也會引入一定誤差;
3 )目測燈影或指示表針的方法調(diào)整過程中,因?yàn)闆]有明確的壓力值指示,不能實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整砝碼質(zhì)量達(dá)到每套活塞各自平衡位置。加之存在活塞下降速度的影響,會泛起需要反復(fù)加壓使活塞達(dá)到工作位置。沒有長時(shí)間的活塞計(jì)量檢定經(jīng)驗(yàn)和活塞調(diào)整手感就很難調(diào)整出每套活塞各自平衡位置。
以上題目就造成了,活塞式壓力計(jì)的計(jì)量需要有豐碩的經(jīng)驗(yàn)積累和很好的活塞調(diào)整手感的計(jì)量工作者才能進(jìn)行,對于只有理論知識積累而實(shí)際操縱經(jīng)驗(yàn)積累不是很充分的計(jì)量工作者來說這項(xiàng)工作就變的非常難題。
2.3 差壓變送器的應(yīng)用
差壓變送器在活塞式壓力計(jì)計(jì)量中應(yīng)用示意圖如圖1 所示,在丈量每一個(gè)平衡點(diǎn)時(shí)方法丈量如下。
1 )打開平衡閥,上兩套活塞的介質(zhì)達(dá)到連通狀態(tài),三暢差壓變送器指示為0 (可以是電流輸出 mA 顯示 4.000 或壓力輸出 kPa 顯示 0.000 )[ 7 ] 。
2 )在尺度活塞系統(tǒng)和被檢活塞系統(tǒng)上加載對應(yīng)砝碼,然后使用任意一個(gè)校驗(yàn)器對于連通的兩套活塞系統(tǒng)進(jìn)行加壓,使其中一個(gè)活塞系統(tǒng)達(dá)到活塞指示裝置指示的工作位置(以 30~60r / min 的速度順時(shí)針滾動),另外一個(gè)活塞系統(tǒng)輕微超出工作位置。
3 )封閉平衡閥,在超出工作位置的活塞系統(tǒng)上加載小砝碼,三暢差壓變送器會有數(shù)值顯示上的變化,隨即調(diào)整加載砝碼一側(cè)的校驗(yàn)器,兩者交替操縱,使被調(diào)整的活塞系統(tǒng)達(dá)到工作位置(以 30~60r / min 的速度順時(shí)針滾動),同時(shí)三暢差壓變送器指示為 0[ 7 - 8 ] 。
4 )打開平衡閥,尺度活塞系統(tǒng)和被檢活塞系統(tǒng)都處于工作位置(均以30~60r / min的速度順時(shí)針滾動),對以上方法進(jìn)行驗(yàn)證,在原始記實(shí)上記實(shí)該點(diǎn)加載砝碼質(zhì)量。依據(jù)以上方法再進(jìn)行下一平衡點(diǎn)的丈量。直至完成每一個(gè)平衡點(diǎn)的丈量,處理數(shù)據(jù)就可以得到被檢活塞系統(tǒng)
的活塞有限面積 [9 ] 。
使用此方法在活塞式壓力計(jì)計(jì)量中的應(yīng)用主要有以下留意事項(xiàng):
1 )差壓變送器的選型,相同正確度等級的壓力變送器,量程越大,誤差越大;量程越小,可操縱范圍越小 [10 ] 。所以在三暢差壓變送器誤差符合被計(jì)量活塞式壓力計(jì)精度要求的情況下,量程越大,可操縱范圍越大,越便于使用,操縱更簡樸、更安全。
2 )差壓變送器的安裝,差壓變送器必需設(shè)置有一個(gè)相對固定安裝平臺,使三暢差壓變送器的安裝在丈量過程中不發(fā)生位置變化,不存在外力影響,保證輸出結(jié)果的正確性 [11 ] 。
3 應(yīng)用比對
為了直觀得到應(yīng)用三暢差壓變送器的方法在活塞有效面積丈量中的上風(fēng),對本計(jì)量機(jī)構(gòu) 2~3 月份的活塞式壓力計(jì)的計(jì)量任務(wù)進(jìn)行了分配和統(tǒng)計(jì),在兩個(gè)月內(nèi)的活塞式壓力計(jì)計(jì)量任務(wù)中,活塞有效面積丈量分別隨機(jī)劃定丈量方案(常用方法或應(yīng)用差壓變送器方法),并對丈量用時(shí)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),如表 1 所示。表 1 中 A 為壓力計(jì)量工作 20年以上的計(jì)量工作者,具有純熟操縱水平和豐碩丈量經(jīng)驗(yàn); B 為壓力計(jì)量工作 6 年的計(jì)量工作者;C 為壓力計(jì)量工作剛 1 年的計(jì)量工作者。
表1中 ∞ 表示使用對應(yīng)方法進(jìn)行丈量,但長時(shí)間無法完成此項(xiàng)工作。由表1可知在活塞有效面積丈量中引入應(yīng)用三暢差壓變送器的方法不但極大的進(jìn)步了工作效率,而且使活塞有效面積丈量操縱變的更直觀,易于把握 [12 ] 。
4 結(jié) 論
差壓變送器應(yīng)用于活塞壓力計(jì)的計(jì)量中主要可以匡助新進(jìn)的計(jì)量工作者迅速把握活塞式壓力計(jì)計(jì)量的操縱方法,快速上崗,快速上手工作;可以簡化活塞式壓力計(jì)計(jì)量中,活塞系統(tǒng)平衡調(diào)整中繁雜的工作量;可以避免長時(shí)間盯著活塞位置指示裝置而引起操縱者主觀因素引入的誤差。因此差壓變送器在活塞式壓力計(jì)計(jì)量中的應(yīng)用很有必要在計(jì)量部分進(jìn)行大面積推廣。
來源:西安航天計(jì)量測試研究所和西安航空學(xué)院 作者:鄭顯鋒、鄭穎 、 劉安慶、李明澤、李鵬、汪嘯