一种校准活塞压力计的新方法

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METROLOGY TEST TECHNOLOGY & VERIFICATION种校准活塞压力计的新方法李海兵 ，悦 进 ，卓(1．新疆维吾尔自治区计量测试研究院，乌鲁木齐华 ，陈武卿 ，宋长亮’830011；2．中国计量科学研究院，北京 100013)[摘 要]由JJG 59—2o07活塞压力计检定规程可知，活塞压力计的检定主要包括活塞有效面积检定和专用砝码、活塞及其连接件质量的检定。其中，活塞有效面积检定 中最常用的是直接平衡法和起始平衡法 ，文章比较了两种方法的不同点 ，指出了在油介质活塞压力计的检定中应使用起始平衡法。对于专用砝码检定，常见的砝码是兆帕 (千帕)级砝码 ，即将砝码质量通过调整腔调整到整数压力值对应的值。通过公式计算出组合砝码对应的压力值，解决了有的砝码不存在调整腔、无法进行质量调试的问题，保证压力量传工作的准确可靠。

[关键词]活塞压力计；校准方法；砝码质量[中图分类号]TH812 [文献标识码]B [文章编号]1002—1183(2013)05—0012—03活塞压力计作为高准确度计量仪器得到了广泛的认可，活塞式压力计作为基准的地位几乎不可挑战。

活塞压力计是校准数字压力计、精密压力表和普通压力仪表的传统标准器。活塞压力计是根据帕斯卡原理、流体静力学平衡原理为基础进行压力计量的。活塞压力计具有测量范围宽、测量准确度高、结构简单、重复性好等优点。活塞压力计是计量领域使用最广的标准器，活塞有效面积是活塞压力计重要的参数，直接决定了压力计量量传的准确可靠。活塞压力计专用砝码的准确测量也是至关重要的。活塞压力计专业砝码一般为压力级砝码，如标识为 1 MPa、2MPa、5MPa、10MPa等的砝码。砝码自身带有调整腔，可以对其质量进行调整以满足其准确度等级的要求。本文提出了一种新的量传方法，即根据砝码的实测质量和有效面积计算出其对应的压力值，给每个砝码赋予压力值。可以应用于某些没有调整腔的砝码，使压力量传准确可靠。

1 活塞压力计的基本原理活塞压力计是根据流体静力学原理设计的，即作用在活塞有效面积上流体压力与所负荷重力相平衡，如图1所示。

活塞压力计应悬浮在活塞筒中并处于一个固定位置。为了避免产生静摩擦力，在工作时使活塞杆与活塞筒之间有一相对旋转运动，活塞筒与活塞杆之间有一 相对旋转运动而使活塞杆处于活塞筒中间位置。所产生压力大小基本公式如下：— — ． ． —
T
—
— ． mg P一
Ae A图1 活塞压力计的工作原理图式中：A 为参考温度下活塞的有效面积，m ；m为砝码、活塞及连接件总质量，kg；g为当地的重力加速度，m·s～。

2 话塞压力计的一般检定 ．2 J
(1)活塞有效面积的检定方法分为起始平衡法和直接平衡法 (也称全压法)，在我国过去的活塞压力计检定规程中都规定采用起始平衡法对活塞有效面积进行检定，新修订的JJG 59—2007活塞压力计检定规程中增加了直接平衡法，并分别规定了使用这两种方法进行检定的条件。

(2)规程上规定在两个活塞参数相同或准确度要求低时才使用该方法，在使用起始平衡法时没有实时修正，需要检测环境温度的稳定度。悦进等人指出环境温度不是主要影响量，但温度的变化却对结果影响很大。使用直接平衡法时，需要准确测量高度差和砝码质量。

(3)以油为介质的活塞压力计中，其直接平衡法的公式为：[收稿日期]2013—02—06[作者简介]李海兵 (1984一)，男，河南商丘人，助理工程师，硕士，毕业于新疆大学，研究方向为压力真空。

· 12· Industrial Measurement 2013 Vo1．23 No．5METROLOGY TEST TECHNOLOGY&VERIFlCATlON 量 壁A =A R·∑m∑m讯1 Pn l 一 — — p眦rp。

l 一 — — pm识(1+( 。 + R)( 一20))(1+(Ol + r)(Tr一20))』1+ l 【pr J式中：A 为被测标准和参考标准的有效面积，为被测标准活塞压力计， 为标准活塞压力计，m 为活塞杆、承重挂盘和砝码的总质量，OLp、 为活塞杆和活塞筒的热膨胀系数，P。、P 为大气和砝码密度，JD，为液体介质的密度，h为参考面的高度差，中括号的第二项其正负值取决于参考面的高低。不同介质 (变压器油或癸二酸二异辛酯和气体)其高度差测不准带来的误差相差很大，如对于产生 1MPa的标准压力，1mm油柱测量不准带来的相对误差为： ： [ ：i !堡二 ： ! 2 ： ：墨 g： !： ： 一1×10 Pa 一8．9×10‘。，同理 1mm气柱测量带来的相对误差为1×10一 。比较平衡法会减小高度差测不准带来的影响。由此可见，在气体活塞有效面积的检定中，可以使用直接平衡法。在油介质活塞有效面积的检定中，使用起始平衡法是合理的。起始平衡法的公式为：A =A · ，当被检活塞压力计和标准活塞压力计的温度发生变化时，加上温度修正公式变为：A =． .

， 如 ∑m (1一 ) (1+( + c )( 一2 州果被检活塞压力计和参考活塞压力计的材质参数完全相等，则上式可简化为：A。 =A。 [1+2 ( 一)] J。前提是平衡点的温度是基本保持不变的，否则需要对平衡点温度变化引起的误差进行修正。

3 使用质量级砝码量传压力值本实验使用的双量程活塞压力计为美国 Pressure.

ments公司生产的，准确度等级为0．01级，压力范围为 (0．1—3．5)／(2—70)MPa，标称面积为 0．8cm ／0．04cm 。由于某种原因更换了2～70MPa量程的活塞组件，压力底座、(0．1～3．5)MPa活塞组件及配套砝工业计量 2013年第23卷第5期码未更换。砝码为压力级标识，活塞有效面积发生变化导致砝码压力值并不是整数值。需要寻找一种途径使得可以继续使用整套砝码，而不影响其量传的准确度。运用理论分析，通过公式计算得出砝码对应的压力值，给出整数压力值对应的修正值。

使用带温度修正的起始平衡法对 Pressurements生产的量程为 (2～70)MPa的活塞压力计进行检定，测得其参考 温度 (20℃)下零 压有效 面积 为 A。=0．0403013cm 。由JJG 59—2o07活塞压力计检定规程计算得到标称砝码对应的名义质量值：∑m ： f 1+Pa 1(1+Api) (1) g 、
m ，式中：∑m 为砝码、活塞及连接件的质量总和，A。

为零压有效面积，P 为对应的压力值，P。为大气密度，P 为砝码密度，A为压力形变系数。实际砝码质量 m 对应的压力值为：pl=一
pfl a)一 ( )g+TCA0(1+Ap ) (2)式中：V为活塞杆浸入液体中的体积，一v(ps—P。)g为浮力修正项， c为表面张力值。在 (The PressureBalance：Theory and Practice)一书中，Dadson等人研究了几种典型结构的活塞组件其液体浮力和高度差修正 。活塞组件结构如图2所示。

Pa。
：大气密度液体密度图2 活塞组件的原理图如图2可见，活塞杆的真实作用面 (最低端)处于作用面 ( =0)下方 日处。设 =0处的压力值为Po，最低端的压力值为 p。，则P =p。+(P，一 )g日。

· 13· 量 塞 至 旦 =!=呈 =! 曼 垒 至旦又P=詈，S为活塞有效面积，可得到 = 一(p，一LJP。)gSH=W 一I，(JDr—P。)g，再加上表面张力修正，即可得到真实的压力值公式。出厂证书见表 l，计算的参数见表 2，其中名义质量和实测压力值 由公式 (1)和 (2)得到 ，浮力修正值 来源 于 pres.

surements活塞出厂证书。

表 1 出厂证书表标称压力／MPa 名义质量／kg 实测质量／kg 实测压力值／MPa表 2中质量均为真空质量，其与折算质量的关系． 0．99985 为
： 一 m c 。

为了验证结果我们采用 比对实验，由0．005级量程范围为 2～160MPa的 DH·Budenberg(DHB)活塞压力计对同一压力模块进行测试，将测得数据和 Pressurements活塞进行比对。其比对结果如表 3所示，其中表 3中的修正值由表 2中的实测压力值得到。

采用的参考标准为 FLUKE压力模块，量程为0～70MPa，从零点开始每隔IOMPa递变做上下行程的测． 14 ·量。表格中的数据为上下行程的平均值，结果按数据修约处理。

表 3 DHB活塞压力计和 Pressurements活塞对同一压力模块的测量结果表比对结果显示，经过 Pressurements活塞修正后的压力模块示值与 DHB活塞压力计测得的数值相对误差较小，在万分之一以内。由此可以证明，本文采用质量级砝码进行压力值量传是准确可靠的。当专用砝码无调整腔时，或者客户需要砝码准确压力值时，都可以采用本文的方法，经过计算得到砝码对应的压力值。本文找到一种活塞压力计校准的新方法，对现行有效的规程是一个有力的补充，同时可以保证压力值量传的准确可靠。

4 结束语通过分析比较活塞压力计检定使用的直接平衡法和起始平衡法的适用范围，指出在油介质活塞压力计的检定中使用起始平衡法是合适的。同时通过理论分析和公式推导，得出了一种使用质量级砝码量传压力值的方法。在满足现有规程的条件下，给出砝码对应的压力值而不是质量值，特别适用于无调整腔的砝码。实验证明，这种方法是可行的，可以使压力量传误差控制在允许范围以内。

[参考文献][1]JJG 59—2007，活塞压力计检定规程 [S].

[2]悦进，杨远超 ．活塞有效面积检定中直接平衡法与起始平衡法对比分析 [J]．计量技术，2010(12)：59—61.

[3]Yang，Y．C．；Yue，J．Calculation of Efective Area for NIMPrimary Pressure Standards[J]．PTB—Mitteilungen，201 1，121，288—268.

[4]Dadson R．S．，Lewis S．L．，Peggs G．N．，The Pressure Bal—ance：Theory and Practice[M]．London，HMSO，1982.

[5]JIG69-2005，砝码检定规程 [S].

[编辑：谢永善]Industrial Measurement 2013 Vo1．23 No．5