活塞壓力計概述
活塞壓力計概述 DH一博登公司中國代表處 岑月琴 王瑞科
摘要：目前，活塞壓力計作為壓力計量的主要手段，已經(jīng)滲透到了幾乎所有的壓力范圍，這包括徽壓、氣壓和超高壓，活塞壓力計的測量不確定度也達(dá)到了壓力測的z*高境界。作為z*充滿活力的一種測壓手段，無貶，活塞壓力計將扮演越來越重要的角色。本文簡要介紹了活塞壓力計的原理、發(fā)展歷史、活塞分類和發(fā)展趨勢，井盆點強(qiáng)調(diào)了一些概念。力圖能給出一個概括的介紹?！ ?br />
關(guān)鍵詞：活塞壓力計 活塞組件 硅碼 天平 復(fù)雜活塞
一、引言 壓力作為非基本量，是由質(zhì)量、長度和時間三個墓本量按照壓力定義公式導(dǎo)出的.物理學(xué)上有兩個基本定律，定義了兩種壓力側(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，這就是活塞壓力計和液體壓力計?；钊麎毫τ嬛苯影凑諌毫Φ亩x公:P=F/A定義壓力，液體壓力計則由壓力作用在液面上產(chǎn)生的液柱差計算壓力:P=pgh?！ ?br />
長期以來 ，液體壓力計作為基準(zhǔn)，主要定義低于400kPa以下的壓力，而活塞壓力計在l00kPa直到2500MPa的壓力范圍內(nèi)定義壓力，對于更商的壓力則采用特定物質(zhì)的相變點作為壓力的固定點，采用插值法分度壓力。近年來，隨著活塞加工工藝水平的提高和圓度洲f技術(shù)的發(fā)展，活塞壓力計的計量性能得到了巨大的發(fā)展，活塞壓力計在氣壓段定義的壓力不確定度已經(jīng)達(dá)到了3m，在徽壓段定義的壓力不確定度也已達(dá)到30m，而成本和維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)底于液體壓力計。毫無疑問，活塞壓力計在壓力計里方面將扮演越來越重要的角色。
二、活塞壓力計介紹 2.1 工作原理 活塞壓力計是以流體靜力學(xué)平衡原理及帕斯卡定律為墓礎(chǔ)測量壓力的，壓力定義公式如下: p=F/A 其中F為活塞及所加硅碼在重力場中產(chǎn)生的力，A為活塞的有效而積?；钊麎毫τ嫷脑砣鏪圖1]由括塞組件和琺碼組組成。活塞在活塞筒內(nèi)垂直地自由運(yùn)動，壓力作用在活塞底面產(chǎn)生的力和加于活塞上端的硅碼重力相平衡?；钊锥说牧黧w可為氣體或液體，活塞壓力計可用來測A氣體壓力和液體壓力。活塞壓力計的上端以及所加硅碼組有空氣包圍(絕壓測量則為真空)。 2. 2工作介質(zhì)活塞壓力計按照設(shè)計分為氣介質(zhì)和液體介質(zhì)兩類?！ ?br />
油介質(zhì)活塞壓力計可扭蓋幾十千帕直到2500MPa的壓力，油作為傳壓介質(zhì)同時也潤滑活塞系統(tǒng)，通常油介質(zhì)活塞壓力計集成有壓力發(fā)生和調(diào)節(jié)裝置，使用起來非常方便。由于在做低壓側(cè)t時，必須考慮液柱差的影響，因此限制了油介質(zhì)活塞在低壓下的應(yīng)用?！ ?br />
氣體活塞壓力計是非常適合低壓測量的，但是，如果用氣體潤滑活塞系統(tǒng)要求潔凈氣體，并且通過活塞間隙的氣體流量必須足夠小，否則，將影響活塞的分辨率。因此，氣潤滑氣介質(zhì)活塞一般使用在7MPa以下。另一種為油潤滑、氣介質(zhì)活塞，由于活塞間隙由油密封而變的非常穩(wěn)定。氣壓側(cè)量可達(dá)150MPa。
2. 3活塞壓力計的質(zhì)量水平 一個活塞壓力計的壓力測量質(zhì)量受兩各方面的影響:
a) 我們對它的影響參致的認(rèn)知水平
b) 壓力測量時的平衡質(zhì)質(zhì)量好的活塞平衡質(zhì)量要求活塞具有好的延遲時間和下降速度，這就要求在以下方面做工作:
- 活 塞 加 工質(zhì)量和活塞系統(tǒng)材料選取
-活塞的旋轉(zhuǎn)速度
- 降低 旋 轉(zhuǎn)部分的重心
-潤 滑 液 體的選擇
2. 3. 1加工質(zhì)量和材料選取優(yōu)質(zhì)材料的選用以及優(yōu)秀的加工工藝是活塞加工的關(guān)鍵，世界著名的活塞生產(chǎn)廠家可加工出活塞間隙只有十分之幾個徽米、延遲時間達(dá)幾個小時、下降速度優(yōu)于0.lm m/分鐘的優(yōu)質(zhì)活塞。高硬度、低熱膨脹系數(shù)和彈性形變系數(shù)材料的選用，可使活塞z*大限度的保持初始的幾何形狀。
2.3.2活塞的旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)的活塞及祛碼具有轉(zhuǎn)動慣量而保持垂直取向，使活塞處于活塞筒的中央，在活塞間隙中產(chǎn)生一個均勻的潤滑膜，從而減小活塞和活塞筒之間的摩擦力，合適的轉(zhuǎn)動速度可使靡擦力z*小。轉(zhuǎn)動可以用手，也可以采用馬達(dá)，一般高梢度活塞壓力計采用馬達(dá)。 2. 3. 3旋轉(zhuǎn)部分的重心
為了使活塞處于活塞筒中央，一些活塞壓力計的祛碼承重盤設(shè)計為筒狀，使硅碼重心盡可能的低，這樣可保持活塞垂直井理想的在活塞筒中運(yùn)動。
2.3.4潤清流體 潤滑流體的選擇也影響活塞的平衡質(zhì)里，粘度大的流體，在通過活塞間隙時，摩擦力大，粘度小的流體在通過活塞間隙時，泄搖過快，難以穩(wěn)定，因此，對于特定活塞，應(yīng)該選擇合適粘度的流體，達(dá)到z*佳折衷。對于購買的活塞壓力計，建議不要輕易更改廠家推薦的潤滑流體。
2. 4自動壓力控制 當(dāng)我們在 一個系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定一個穩(wěn)定的壓力后，由于系統(tǒng)的泄件或沮度變化等原因，租住壓力是很不容易的?；钊麎毫τ媴s不同，它具有自動壓力控制能力，一旦壓力被設(shè)定.由于活塞在上、下限之間運(yùn)動，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)容積，保持壓力恒定。只要一個外部壓力發(fā)生器加壓活塞到工作位里，在活塞浮動期間，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，保持壓力不變。 2. 5修正系數(shù)及其影響這里我們再次提起壓力定義公式:P=F/A，壓力的測里依旗于我們對力F和面積A的認(rèn)知。
2.5.1力的確定 處于重力場中的祛碼M產(chǎn)生的力可表示為: F= M g(1--ρa/ρM) 其中M為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。在作表壓測量時，砝碼還受到大氣壓力的浮力，考慮到浮力影響，力可表示為: F=Mg (1-ρa/ρM)+ΓπD這里Γ是流體的表面張力系數(shù)，D為活塞的直徑，在作低精度測量時，該項可忽略。
2.5.2活塞組件有效面積的確定活塞組件的有效面積是溫度和壓力的函數(shù)，可表示為: A=A0[1+(αc +αμ)(t-20℃)](1+λP)A0為活塞組件在零壓和20℃下的有效面積.對于理想幾何形狀的活塞，活塞筒和活塞桿之間的間隙內(nèi)流體的流動為層流，在中立面，層之間的相對流速為零，層之間沒有膝擦力，因此，中立面的半徑即為活塞組件的有效半徑，根據(jù)經(jīng)典的粘性流體力學(xué)可知，兩個圓柱面間流動的流體中立面半徑為: 其中R為活塞簡半徑，r為活塞半徑，取活塞間隙為h，則R=r+h，代入上式并取一級近似有: 則活塞組件的有效面積為: A0=πR2n=πr2+πrh 即:活塞組件的有效面積為活塞桿的面積與活塞間隙面積的一半?！ ?br />
活塞組件的有效面積可由三種方法得到:
a) 直接幾何尺寸側(cè)量
b) 下降速度測量
c) 由上級標(biāo)準(zhǔn)傳遞得到 [I+αc+αP(t-20'C)]項為溫度變化修正項，αc和αP為活塞桿和活塞筒的線性熱形脹系數(shù)，t為活塞組件溫度。(1+λP)項為壓力形變修正項，λ為壓力形變系數(shù)，P為工作壓力。對于自由形變活塞，壓力形變系數(shù)可由理論導(dǎo)出，反壓型活塞，則壓力形變系數(shù)由實驗得到?！ ∫话慊钊麎毫τ嫓y量的壓力可表示為: 要獲得必要的測量精度，必須對上式中的參數(shù)予以重視。另外，還有一種活塞壓力計，在一般校準(zhǔn)實驗室很少見到，這就是可控間隙活塞壓力計，它主要用于高壓測量和研究工作。對于可控間隙活塞壓力計，活塞組件的有效面積還與控隙壓力有關(guān)，可控間隙活塞組件的有效面積表示為: A=Ap[1+(αc+αP)(t-20'C)](1+λP)[1+d(p2-pj)] 其所定義的壓力可表示為: 三、活塞壓力計發(fā)展歷史的回顧進(jìn)入十九世紀(jì)，隨著西方工業(yè)化的發(fā)展，采用液柱測量壓力已經(jīng)不能滿足工業(yè)的需要，人們自然要尋找高壓側(cè)量的途徑，這就是活塞壓力計。類似今天活塞壓力計的出現(xiàn)，可以追溯到180年以前。十九世紀(jì)初，Perkin在研究流體壓縮性時，制造了一臺活塞壓力計，可產(chǎn)生200MPa的壓力，活塞為簡單結(jié)構(gòu)，磚碼通過杠桿加于活塞上。后來，由于蒸汽機(jī)的發(fā)展，帶動了活塞壓力計的發(fā)展，1833年，Parrot等人制造了一臺1OMPa類似結(jié)構(gòu)的活塞壓力計。1846年，法國人Galy-Cazalat介紹了一種設(shè)計新穎的活塞壓力計，包括兩個直徑不同的活塞，通過機(jī)械方式藕合。壓力通過椒膠腆片作用在小活塞上并以力的形式傳通給大活塞，大活塞上端為水銀柱，由水銀柱平衡壓力并指示壓力，這樣可以通過水銀柱乘以大、小活塞面積比得到壓力。通過改變面積比，可以測量大到100MPa的壓力。該活塞壓力計就是當(dāng)今倍壓器和分壓器的雛形。1869年，Sey設(shè)計了雙f程活墓壓力計，兩個不同直徑的活塞，同軸的安裝在一個活塞筒中，大大拓寬了活塞壓力計的里程，這就是當(dāng)今雙盤程活塞的祖先。1880年，Cailleyet設(shè)計T 150MPa.精度0.5%的活塞壓力計，把活塞間隙加工到5Pm，這在當(dāng)時是一件了不起的事清. 1894年.StGckrath設(shè)計了帶有承重盤的活塞， 并且活塞的靈敏度達(dá)到了0.04%.1893年，法國人Amagat為T研究氣體的壓縮系數(shù)，設(shè)計了一臺300MPa的活塞壓力計，與眾不同的是，Amagat沒有在活塞上使用密封材料，也沒有使用橡膠膜片，而是在活塞柱體表面的加工和測量上下了一番工夫，從而使活塞可以自由旋轉(zhuǎn)，大大提高了活塞的靈敏度。1903年，英國L研制了差動活塞，原理如[圖2]，解決了高壓下活塞桿過細(xì)帶來的活塞桿變形和折斷問題。1912年，Bridgman在研究壓力對材料性能的影響時，需要高壓，而當(dāng)時的活塞壓力計只能達(dá)到300MPa，不能滿足研究的需要，為了解決在高壓下測壓介質(zhì)通過活塞間隙泄露的問題，Bridgman設(shè)計了工作壓力大于1300MPa的反壓型活塞，z*商可達(dá)2000MPa，這是z*早的反壓型活塞。1953年， 美國(現(xiàn)NIST)設(shè)計了可控間隙活塞壓力計。四、活塞壓力計的分類活塞壓力計有多種分類方法，可以按照活塞組件的設(shè)計結(jié)構(gòu)分類，也可按照介質(zhì)或測力方式分類。
4. 1按照活塞組件結(jié)構(gòu)分類 按照活塞組件結(jié)構(gòu)，活塞壓力計可分為簡單活塞、差動活塞、反壓型活塞和可控間隙活塞。
4. 1. 1簡單活塞 壓力僅作用在活塞筒的底部和內(nèi)表面，在間隙內(nèi)壓力的作用下，活塞簡自由形變，直徑增大，而活塞桿的直徑變化遠(yuǎn)小于活塞筒，活塞間限內(nèi)流體的中立面半徑變大，有效面積增大，壓力形變系數(shù)可通過理論計算得到。簡單活塞，加工工藝簡單，活塞靈敏度高，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
4. 1. 2差動活塞 差動活塞由兩套活塞組件通過機(jī)械偶合結(jié)合起來，壓力作用在兩個活塞的連接處，活塞的有效面積為兩弈活塞面積之差。差動活塞活塞桿較粗，有效面積很小，主要用于高壓，解決細(xì)活塞桿容易變形和折斷的問題。這種活塞加工較為復(fù)雜。
4.1.3反壓型活塞 反壓型活塞在結(jié)構(gòu)設(shè)計或安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計上，可將被側(cè)壓力導(dǎo)入活塞筒外表面，用以補(bǔ)償活塞間隙中壓力引起的活塞筒形變。當(dāng)活塞筒壁較薄或測量壓力較高時，可以考慮采用這種結(jié)構(gòu)。如DH公司的5301型油介質(zhì)活塞壓力計即采用這種設(shè)計。由于活塞筒外部壓力總是大于間隙壓力，活塞的有效面積隨著壓力增大減小，壓力形變系效為負(fù)值并可通過實驗獲褥。
4.1.4可控間隙活塞 可控間隙活塞是在簡單活塞的活塞筒外壁施加獨立的壓力，搜側(cè)活鑫和活塞簡之間的間隙的活塞壓力計。這種活塞壓力計主要用于高壓測量和壓力計量研究工作中。近年來，隨著活塞技術(shù)的發(fā)展，在高精度低壓測量中，也采用了可控間隙技術(shù)，如，NIST的PG-27油介質(zhì)活塞和DHI的PG7607氣體活塞。
4. 2按照工作模式分類 按照工作模式，活塞壓力計可分為氣潤滑氣介質(zhì)活塞、油潤滑氣介質(zhì)活塞和油介質(zhì)活塞三種。
4.2.1氣潤滑氣介質(zhì)活塞 氣潤滑氣介質(zhì)活塞測壓介質(zhì)為氣體，活塞間隙內(nèi)的潤滑流體為測壓氣體。由于氣體的粘度很小，所以活塞的靈敏度很高，適合做高精度低壓力測量。缺點是對測壓氣體和被檢儀表的潔凈度和濕度要求很嚴(yán)格，同時做高壓測量不易穩(wěn)定，一般量程不高于7MPa。這種類型的活塞s*先由美國CEC公司推出，現(xiàn)在法國DH公司生產(chǎn)的APX5D氣潤滑氣介質(zhì)活塞不確定度已達(dá)到3m，并成為取代汞被體壓力計的基準(zhǔn)在LNE使用。
4.2.2油潤淆氣介質(zhì)活塞 油潤滑氣介質(zhì)活塞談叮壓介質(zhì)為氣體，活塞間隙內(nèi)的潤淆流體為液體，工作原理如[圖3]:一個可視液面的油杯低部和活塞筒相連。被測壓力Pg同時作用在活塞低部和油杯液面上，活塞間隙中的液體壓力i=Pg+pgh，這個壓力總是比測量壓力Pg高出一個液柱差。由于壓差不大且活塞間隙很小，進(jìn)入系統(tǒng)的液體徽乎其微，并且可分離到收集器，定期排除。由于采用液體潤滑，活塞間隙被液體密封而沒有泄漏，因此，可做高壓禁油壓力儀衰的檢定，z*高壓力可達(dá)150MPa，典型產(chǎn)品有法國DH公司的5200型氣體活塞壓力計。
4.2.3油介質(zhì)活塞 油介質(zhì)活塞測壓介質(zhì)和潤滑液均為油，適于作為中、高壓標(biāo)準(zhǔn)，并被廣泛應(yīng)用。
4. 3按測力方式分類 我們知道，活塞壓力計是通過向長度和質(zhì)盤溯源來定義壓力的，質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)傳遞過程為砧碼和天平組成的傳遞鏈，活塞壓力計即可采用祛碼測量壓力作用在活塞有效面積上產(chǎn)生的力，也可采用天平測量壓力作用在活塞有效面積上產(chǎn)生的力，由此，活塞壓力計分為硅碼式活塞壓力計和天平式活塞壓力計。對于砝碼式活塞壓力計，我們大家都不陌生，但對天平式活塞壓力計，可能大家并不熟悉，這里簡單予以介紹。 天平式活塞壓力計天平式活塞壓力計包括活塞組件、天平、標(biāo)準(zhǔn)砝碼和底座。原理如[圖4]，被測壓力通過活塞轉(zhuǎn)化為力，作用在的天平橫梁的一端，另一端采用祛碼平衡，根據(jù)所加平衡硅碼及天平兩端借長比，即可測出力值，即:Mgx1=PxAgx1'。天平可不等臂，從而可采用這種活塞壓力計測里徽壓和高壓。其實，早期高壓活塞壓力計即采用這種結(jié)構(gòu)，八十年代初計量院、上海計量所、西安自動化儀表研究所和上海天平廠曾經(jīng)聯(lián)合研制這種天平式微壓活塞壓力計，以裝備計量院、上海計量所和西安自動化儀表研究所，并試制成功兩臺這樣的設(shè)備，由于后續(xù)經(jīng)費(fèi)無法落實，沒能完成調(diào)試工作.這兩臺設(shè)備目前封存在上海計量院和西安儀表廠。與我國同期研究這種活塞壓力計的還有法國DH公司，他們在七十年代末開始設(shè)計并于八十年代初設(shè)計完成，成為商品。到目前已經(jīng)多次更新?lián)Q代，并采用電子天平，實現(xiàn)了活塞壓力計的數(shù)字化和檢定點的連續(xù)化。美國DHI和日本INLI及NASA合作，也在去年設(shè)計完成了三臺FPG微壓活塞壓力計，并作為標(biāo)準(zhǔn)裝備了NRLM, NASA和DHI。在這種活塞壓力計的設(shè)計上，我國還是走在世界前列的，只可惜，我們沒能堅持下來。
五、復(fù)雜活塞系統(tǒng) 所謂復(fù)雜活塞系統(tǒng)，是由活塞壓力計演變出來的，完成一般活塞壓力計所不能完成的特殊校準(zhǔn)任務(wù)的活塞。這種活塞，對生產(chǎn)廠家的加工能力要求很高，所以，生產(chǎn)廠家不多，市場上也較少見。常見的有雙量程活塞、壓力倍增器和壓力差分器。
5.1雙量程活塞 雙量程活塞結(jié)構(gòu)圖 如[圖5]: 活塞組件包括低量程活塞、高量程活塞、輔助活塞和活塞筒。低壓下，低量程活塞在壓力作用下向上移動，頂起輔助活塞和祛碼到工作位置，當(dāng)壓力繼續(xù)增高到低量程活塞滿量程時，繼續(xù)升高壓力，低量程活塞和活塞筒低部接觸而停止工作。高量程活塞在壓力作用下，繼續(xù)向上頂起輔助活塞和祛碼到高量程活塞的工作位里。一般活塞扭蓋量程十分之一到滿量程的壓力范圍，雙量程活塞可扭蓋量程百分之一到滿量程的壓力范圍。而且使用起來非常方便。但是，加工這種活塞需要三個活塞面和兩個活塞筒面同軸，這要比加工通常活塞(要求一個活塞面和一個活塞筒面同軸)困難得多。英國博登(Budeerg)壓力表公司的580DX活塞壓力計即為這種結(jié)構(gòu)。
5.2壓力倍增器 壓力倍增器的設(shè)計是為了把高壓活塞壓力計的量程向上延伸數(shù)倍，使高壓活塞壓力計即可做一般高壓測量，也可做超高壓測量?！ 毫Ρ对銎鞯慕Y(jié)構(gòu)如[圖6]：它包括兩套耦合的活塞，低壓活塞的面積是高壓活塞的數(shù)倍(設(shè)為K)，當(dāng)壓力倍增器的禍合活塞達(dá)到平衡時，高壓活塞上端的壓力是低壓活塞下端的壓力的K倍。活塞的面積比K即為壓力倍增器的計量參數(shù)。一般壓力倍增器的兩個活塞組采用同一材料制造，溫度膨脹系數(shù)相同，K值不受溫度影響。而由于兩組活塞所受壓力不同，K值是壓力的函數(shù):K=K0x(1+λp),λ可由試驗得到。法國DH公司生產(chǎn)的超高壓活塞壓力計即采用了壓力倍增器，這種超高壓標(biāo)準(zhǔn)與可控間隙超高壓活塞相比，測量起始壓力低，結(jié)構(gòu)小巧輕便，可以方便的移動。
5.3壓力差分器 壓力差分器的設(shè)計是為了靜壓下小差壓的測量，靜壓可為任何負(fù)壓、正壓，z*高可達(dá)40MPa。結(jié)構(gòu)如[圖7]:它包括三組同軸的活塞，上、下活塞面積相等，中間活塞的面積是上、下活塞的數(shù)倍(設(shè)為K)?；钊g有兩個腔體，腔內(nèi)被導(dǎo)入靜壓后由閥門分離，上方腔體加以小壓力△p，則由此增加的向下的附加力為(S-s) xAp，要使壓力差分器活塞平衡，則必須在下端活塞底部增加壓力卻，△p平面，使SX△P平面=(S-s)x△p，則 圖7 △p平面和靜壓可由其它活塞測量，從而可得到差壓，差壓量程由面積比確定，且為壓力差分器w*的參數(shù)Ka, Kd不受溫度和壓力的影響。這種差壓測量方法，所測差壓可以很小，且與靜壓無關(guān)，操作非常方便，這是雙活塞活塞壓力計所做不到的。DH公司的1500即是典型的壓力差分器，Kd為100。
參考文獻(xiàn) 1.The preure balance-Theort and Parctice.L,1982 2. A Oolwa，"Novel Non-rotational Piston Gauge with Small Differential Preure".Merrologia.Volume 30,No.6.p.607-610，1994. 3.Preure Metrology,DH,2002
摘要：目前，活塞壓力計作為壓力計量的主要手段，已經(jīng)滲透到了幾乎所有的壓力范圍，這包括徽壓、氣壓和超高壓，活塞壓力計的測量不確定度也達(dá)到了壓力測的z*高境界。作為z*充滿活力的一種測壓手段，無貶，活塞壓力計將扮演越來越重要的角色。本文簡要介紹了活塞壓力計的原理、發(fā)展歷史、活塞分類和發(fā)展趨勢，井盆點強(qiáng)調(diào)了一些概念。力圖能給出一個概括的介紹?！ ?br />
關(guān)鍵詞：活塞壓力計 活塞組件 硅碼 天平 復(fù)雜活塞
一、引言 壓力作為非基本量，是由質(zhì)量、長度和時間三個墓本量按照壓力定義公式導(dǎo)出的.物理學(xué)上有兩個基本定律，定義了兩種壓力側(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，這就是活塞壓力計和液體壓力計?；钊麎毫τ嬛苯影凑諌毫Φ亩x公:P=F/A定義壓力，液體壓力計則由壓力作用在液面上產(chǎn)生的液柱差計算壓力:P=pgh?！ ?br />
長期以來 ，液體壓力計作為基準(zhǔn)，主要定義低于400kPa以下的壓力，而活塞壓力計在l00kPa直到2500MPa的壓力范圍內(nèi)定義壓力，對于更商的壓力則采用特定物質(zhì)的相變點作為壓力的固定點，采用插值法分度壓力。近年來，隨著活塞加工工藝水平的提高和圓度洲f技術(shù)的發(fā)展，活塞壓力計的計量性能得到了巨大的發(fā)展，活塞壓力計在氣壓段定義的壓力不確定度已經(jīng)達(dá)到了3m，在徽壓段定義的壓力不確定度也已達(dá)到30m，而成本和維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)底于液體壓力計。毫無疑問，活塞壓力計在壓力計里方面將扮演越來越重要的角色。
二、活塞壓力計介紹 2.1 工作原理 活塞壓力計是以流體靜力學(xué)平衡原理及帕斯卡定律為墓礎(chǔ)測量壓力的，壓力定義公式如下: p=F/A 其中F為活塞及所加硅碼在重力場中產(chǎn)生的力，A為活塞的有效而積?；钊麎毫τ嫷脑砣鏪圖1]由括塞組件和琺碼組組成。活塞在活塞筒內(nèi)垂直地自由運(yùn)動，壓力作用在活塞底面產(chǎn)生的力和加于活塞上端的硅碼重力相平衡?；钊锥说牧黧w可為氣體或液體，活塞壓力計可用來測A氣體壓力和液體壓力。活塞壓力計的上端以及所加硅碼組有空氣包圍(絕壓測量則為真空)。 2. 2工作介質(zhì)活塞壓力計按照設(shè)計分為氣介質(zhì)和液體介質(zhì)兩類?！ ?br />
油介質(zhì)活塞壓力計可扭蓋幾十千帕直到2500MPa的壓力，油作為傳壓介質(zhì)同時也潤滑活塞系統(tǒng)，通常油介質(zhì)活塞壓力計集成有壓力發(fā)生和調(diào)節(jié)裝置，使用起來非常方便。由于在做低壓側(cè)t時，必須考慮液柱差的影響，因此限制了油介質(zhì)活塞在低壓下的應(yīng)用?！ ?br />
氣體活塞壓力計是非常適合低壓測量的，但是，如果用氣體潤滑活塞系統(tǒng)要求潔凈氣體，并且通過活塞間隙的氣體流量必須足夠小，否則，將影響活塞的分辨率。因此，氣潤滑氣介質(zhì)活塞一般使用在7MPa以下。另一種為油潤滑、氣介質(zhì)活塞，由于活塞間隙由油密封而變的非常穩(wěn)定。氣壓側(cè)量可達(dá)150MPa。
2. 3活塞壓力計的質(zhì)量水平 一個活塞壓力計的壓力測量質(zhì)量受兩各方面的影響:
a) 我們對它的影響參致的認(rèn)知水平
b) 壓力測量時的平衡質(zhì)質(zhì)量好的活塞平衡質(zhì)量要求活塞具有好的延遲時間和下降速度，這就要求在以下方面做工作:
- 活 塞 加 工質(zhì)量和活塞系統(tǒng)材料選取
-活塞的旋轉(zhuǎn)速度
- 降低 旋 轉(zhuǎn)部分的重心
-潤 滑 液 體的選擇
2. 3. 1加工質(zhì)量和材料選取優(yōu)質(zhì)材料的選用以及優(yōu)秀的加工工藝是活塞加工的關(guān)鍵，世界著名的活塞生產(chǎn)廠家可加工出活塞間隙只有十分之幾個徽米、延遲時間達(dá)幾個小時、下降速度優(yōu)于0.lm m/分鐘的優(yōu)質(zhì)活塞。高硬度、低熱膨脹系數(shù)和彈性形變系數(shù)材料的選用，可使活塞z*大限度的保持初始的幾何形狀。
2.3.2活塞的旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)的活塞及祛碼具有轉(zhuǎn)動慣量而保持垂直取向，使活塞處于活塞筒的中央，在活塞間隙中產(chǎn)生一個均勻的潤滑膜，從而減小活塞和活塞筒之間的摩擦力，合適的轉(zhuǎn)動速度可使靡擦力z*小。轉(zhuǎn)動可以用手，也可以采用馬達(dá)，一般高梢度活塞壓力計采用馬達(dá)。 2. 3. 3旋轉(zhuǎn)部分的重心
為了使活塞處于活塞筒中央，一些活塞壓力計的祛碼承重盤設(shè)計為筒狀，使硅碼重心盡可能的低，這樣可保持活塞垂直井理想的在活塞筒中運(yùn)動。
2.3.4潤清流體 潤滑流體的選擇也影響活塞的平衡質(zhì)里，粘度大的流體，在通過活塞間隙時，摩擦力大，粘度小的流體在通過活塞間隙時，泄搖過快，難以穩(wěn)定，因此，對于特定活塞，應(yīng)該選擇合適粘度的流體，達(dá)到z*佳折衷。對于購買的活塞壓力計，建議不要輕易更改廠家推薦的潤滑流體。
2. 4自動壓力控制 當(dāng)我們在 一個系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定一個穩(wěn)定的壓力后，由于系統(tǒng)的泄件或沮度變化等原因，租住壓力是很不容易的?；钊麎毫τ媴s不同，它具有自動壓力控制能力，一旦壓力被設(shè)定.由于活塞在上、下限之間運(yùn)動，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)容積，保持壓力恒定。只要一個外部壓力發(fā)生器加壓活塞到工作位里，在活塞浮動期間，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，保持壓力不變。 2. 5修正系數(shù)及其影響這里我們再次提起壓力定義公式:P=F/A，壓力的測里依旗于我們對力F和面積A的認(rèn)知。
2.5.1力的確定 處于重力場中的祛碼M產(chǎn)生的力可表示為: F= M g(1--ρa/ρM) 其中M為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。在作表壓測量時，砝碼還受到大氣壓力的浮力，考慮到浮力影響，力可表示為: F=Mg (1-ρa/ρM)+ΓπD這里Γ是流體的表面張力系數(shù)，D為活塞的直徑，在作低精度測量時，該項可忽略。
2.5.2活塞組件有效面積的確定活塞組件的有效面積是溫度和壓力的函數(shù)，可表示為: A=A0[1+(αc +αμ)(t-20℃)](1+λP)A0為活塞組件在零壓和20℃下的有效面積.對于理想幾何形狀的活塞，活塞筒和活塞桿之間的間隙內(nèi)流體的流動為層流，在中立面，層之間的相對流速為零，層之間沒有膝擦力，因此，中立面的半徑即為活塞組件的有效半徑，根據(jù)經(jīng)典的粘性流體力學(xué)可知，兩個圓柱面間流動的流體中立面半徑為: 其中R為活塞簡半徑，r為活塞半徑，取活塞間隙為h，則R=r+h，代入上式并取一級近似有: 則活塞組件的有效面積為: A0=πR2n=πr2+πrh 即:活塞組件的有效面積為活塞桿的面積與活塞間隙面積的一半?！ ?br />
活塞組件的有效面積可由三種方法得到:
a) 直接幾何尺寸側(cè)量
b) 下降速度測量
c) 由上級標(biāo)準(zhǔn)傳遞得到 [I+αc+αP(t-20'C)]項為溫度變化修正項，αc和αP為活塞桿和活塞筒的線性熱形脹系數(shù)，t為活塞組件溫度。(1+λP)項為壓力形變修正項，λ為壓力形變系數(shù)，P為工作壓力。對于自由形變活塞，壓力形變系數(shù)可由理論導(dǎo)出，反壓型活塞，則壓力形變系數(shù)由實驗得到?！ ∫话慊钊麎毫τ嫓y量的壓力可表示為: 要獲得必要的測量精度，必須對上式中的參數(shù)予以重視。另外，還有一種活塞壓力計，在一般校準(zhǔn)實驗室很少見到，這就是可控間隙活塞壓力計，它主要用于高壓測量和研究工作。對于可控間隙活塞壓力計，活塞組件的有效面積還與控隙壓力有關(guān)，可控間隙活塞組件的有效面積表示為: A=Ap[1+(αc+αP)(t-20'C)](1+λP)[1+d(p2-pj)] 其所定義的壓力可表示為: 三、活塞壓力計發(fā)展歷史的回顧進(jìn)入十九世紀(jì)，隨著西方工業(yè)化的發(fā)展，采用液柱測量壓力已經(jīng)不能滿足工業(yè)的需要，人們自然要尋找高壓側(cè)量的途徑，這就是活塞壓力計。類似今天活塞壓力計的出現(xiàn)，可以追溯到180年以前。十九世紀(jì)初，Perkin在研究流體壓縮性時，制造了一臺活塞壓力計，可產(chǎn)生200MPa的壓力，活塞為簡單結(jié)構(gòu)，磚碼通過杠桿加于活塞上。后來，由于蒸汽機(jī)的發(fā)展，帶動了活塞壓力計的發(fā)展，1833年，Parrot等人制造了一臺1OMPa類似結(jié)構(gòu)的活塞壓力計。1846年，法國人Galy-Cazalat介紹了一種設(shè)計新穎的活塞壓力計，包括兩個直徑不同的活塞，通過機(jī)械方式藕合。壓力通過椒膠腆片作用在小活塞上并以力的形式傳通給大活塞，大活塞上端為水銀柱，由水銀柱平衡壓力并指示壓力，這樣可以通過水銀柱乘以大、小活塞面積比得到壓力。通過改變面積比，可以測量大到100MPa的壓力。該活塞壓力計就是當(dāng)今倍壓器和分壓器的雛形。1869年，Sey設(shè)計了雙f程活墓壓力計，兩個不同直徑的活塞，同軸的安裝在一個活塞筒中，大大拓寬了活塞壓力計的里程，這就是當(dāng)今雙盤程活塞的祖先。1880年，Cailleyet設(shè)計T 150MPa.精度0.5%的活塞壓力計，把活塞間隙加工到5Pm，這在當(dāng)時是一件了不起的事清. 1894年.StGckrath設(shè)計了帶有承重盤的活塞， 并且活塞的靈敏度達(dá)到了0.04%.1893年，法國人Amagat為T研究氣體的壓縮系數(shù)，設(shè)計了一臺300MPa的活塞壓力計，與眾不同的是，Amagat沒有在活塞上使用密封材料，也沒有使用橡膠膜片，而是在活塞柱體表面的加工和測量上下了一番工夫，從而使活塞可以自由旋轉(zhuǎn)，大大提高了活塞的靈敏度。1903年，英國L研制了差動活塞，原理如[圖2]，解決了高壓下活塞桿過細(xì)帶來的活塞桿變形和折斷問題。1912年，Bridgman在研究壓力對材料性能的影響時，需要高壓，而當(dāng)時的活塞壓力計只能達(dá)到300MPa，不能滿足研究的需要，為了解決在高壓下測壓介質(zhì)通過活塞間隙泄露的問題，Bridgman設(shè)計了工作壓力大于1300MPa的反壓型活塞，z*商可達(dá)2000MPa，這是z*早的反壓型活塞。1953年， 美國(現(xiàn)NIST)設(shè)計了可控間隙活塞壓力計。四、活塞壓力計的分類活塞壓力計有多種分類方法，可以按照活塞組件的設(shè)計結(jié)構(gòu)分類，也可按照介質(zhì)或測力方式分類。
4. 1按照活塞組件結(jié)構(gòu)分類 按照活塞組件結(jié)構(gòu)，活塞壓力計可分為簡單活塞、差動活塞、反壓型活塞和可控間隙活塞。
4. 1. 1簡單活塞 壓力僅作用在活塞筒的底部和內(nèi)表面，在間隙內(nèi)壓力的作用下，活塞簡自由形變，直徑增大，而活塞桿的直徑變化遠(yuǎn)小于活塞筒，活塞間限內(nèi)流體的中立面半徑變大，有效面積增大，壓力形變系數(shù)可通過理論計算得到。簡單活塞，加工工藝簡單，活塞靈敏度高，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
4. 1. 2差動活塞 差動活塞由兩套活塞組件通過機(jī)械偶合結(jié)合起來，壓力作用在兩個活塞的連接處，活塞的有效面積為兩弈活塞面積之差。差動活塞活塞桿較粗，有效面積很小，主要用于高壓，解決細(xì)活塞桿容易變形和折斷的問題。這種活塞加工較為復(fù)雜。
4.1.3反壓型活塞 反壓型活塞在結(jié)構(gòu)設(shè)計或安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計上，可將被側(cè)壓力導(dǎo)入活塞筒外表面，用以補(bǔ)償活塞間隙中壓力引起的活塞筒形變。當(dāng)活塞筒壁較薄或測量壓力較高時，可以考慮采用這種結(jié)構(gòu)。如DH公司的5301型油介質(zhì)活塞壓力計即采用這種設(shè)計。由于活塞筒外部壓力總是大于間隙壓力，活塞的有效面積隨著壓力增大減小，壓力形變系效為負(fù)值并可通過實驗獲褥。
4.1.4可控間隙活塞 可控間隙活塞是在簡單活塞的活塞筒外壁施加獨立的壓力，搜側(cè)活鑫和活塞簡之間的間隙的活塞壓力計。這種活塞壓力計主要用于高壓測量和壓力計量研究工作中。近年來，隨著活塞技術(shù)的發(fā)展，在高精度低壓測量中，也采用了可控間隙技術(shù)，如，NIST的PG-27油介質(zhì)活塞和DHI的PG7607氣體活塞。
4. 2按照工作模式分類 按照工作模式，活塞壓力計可分為氣潤滑氣介質(zhì)活塞、油潤滑氣介質(zhì)活塞和油介質(zhì)活塞三種。
4.2.1氣潤滑氣介質(zhì)活塞 氣潤滑氣介質(zhì)活塞測壓介質(zhì)為氣體，活塞間隙內(nèi)的潤滑流體為測壓氣體。由于氣體的粘度很小，所以活塞的靈敏度很高，適合做高精度低壓力測量。缺點是對測壓氣體和被檢儀表的潔凈度和濕度要求很嚴(yán)格，同時做高壓測量不易穩(wěn)定，一般量程不高于7MPa。這種類型的活塞s*先由美國CEC公司推出，現(xiàn)在法國DH公司生產(chǎn)的APX5D氣潤滑氣介質(zhì)活塞不確定度已達(dá)到3m，并成為取代汞被體壓力計的基準(zhǔn)在LNE使用。
4.2.2油潤淆氣介質(zhì)活塞 油潤滑氣介質(zhì)活塞談叮壓介質(zhì)為氣體，活塞間隙內(nèi)的潤淆流體為液體，工作原理如[圖3]:一個可視液面的油杯低部和活塞筒相連。被測壓力Pg同時作用在活塞低部和油杯液面上，活塞間隙中的液體壓力i=Pg+pgh，這個壓力總是比測量壓力Pg高出一個液柱差。由于壓差不大且活塞間隙很小，進(jìn)入系統(tǒng)的液體徽乎其微，并且可分離到收集器，定期排除。由于采用液體潤滑，活塞間隙被液體密封而沒有泄漏，因此，可做高壓禁油壓力儀衰的檢定，z*高壓力可達(dá)150MPa，典型產(chǎn)品有法國DH公司的5200型氣體活塞壓力計。
4.2.3油介質(zhì)活塞 油介質(zhì)活塞測壓介質(zhì)和潤滑液均為油，適于作為中、高壓標(biāo)準(zhǔn)，并被廣泛應(yīng)用。
4. 3按測力方式分類 我們知道，活塞壓力計是通過向長度和質(zhì)盤溯源來定義壓力的，質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)傳遞過程為砧碼和天平組成的傳遞鏈，活塞壓力計即可采用祛碼測量壓力作用在活塞有效面積上產(chǎn)生的力，也可采用天平測量壓力作用在活塞有效面積上產(chǎn)生的力，由此，活塞壓力計分為硅碼式活塞壓力計和天平式活塞壓力計。對于砝碼式活塞壓力計，我們大家都不陌生，但對天平式活塞壓力計，可能大家并不熟悉，這里簡單予以介紹。 天平式活塞壓力計天平式活塞壓力計包括活塞組件、天平、標(biāo)準(zhǔn)砝碼和底座。原理如[圖4]，被測壓力通過活塞轉(zhuǎn)化為力，作用在的天平橫梁的一端，另一端采用祛碼平衡，根據(jù)所加平衡硅碼及天平兩端借長比，即可測出力值，即:Mgx1=PxAgx1'。天平可不等臂，從而可采用這種活塞壓力計測里徽壓和高壓。其實，早期高壓活塞壓力計即采用這種結(jié)構(gòu)，八十年代初計量院、上海計量所、西安自動化儀表研究所和上海天平廠曾經(jīng)聯(lián)合研制這種天平式微壓活塞壓力計，以裝備計量院、上海計量所和西安自動化儀表研究所，并試制成功兩臺這樣的設(shè)備，由于后續(xù)經(jīng)費(fèi)無法落實，沒能完成調(diào)試工作.這兩臺設(shè)備目前封存在上海計量院和西安儀表廠。與我國同期研究這種活塞壓力計的還有法國DH公司，他們在七十年代末開始設(shè)計并于八十年代初設(shè)計完成，成為商品。到目前已經(jīng)多次更新?lián)Q代，并采用電子天平，實現(xiàn)了活塞壓力計的數(shù)字化和檢定點的連續(xù)化。美國DHI和日本INLI及NASA合作，也在去年設(shè)計完成了三臺FPG微壓活塞壓力計，并作為標(biāo)準(zhǔn)裝備了NRLM, NASA和DHI。在這種活塞壓力計的設(shè)計上，我國還是走在世界前列的，只可惜，我們沒能堅持下來。
五、復(fù)雜活塞系統(tǒng) 所謂復(fù)雜活塞系統(tǒng)，是由活塞壓力計演變出來的，完成一般活塞壓力計所不能完成的特殊校準(zhǔn)任務(wù)的活塞。這種活塞，對生產(chǎn)廠家的加工能力要求很高，所以，生產(chǎn)廠家不多，市場上也較少見。常見的有雙量程活塞、壓力倍增器和壓力差分器。
5.1雙量程活塞 雙量程活塞結(jié)構(gòu)圖 如[圖5]: 活塞組件包括低量程活塞、高量程活塞、輔助活塞和活塞筒。低壓下，低量程活塞在壓力作用下向上移動，頂起輔助活塞和祛碼到工作位置，當(dāng)壓力繼續(xù)增高到低量程活塞滿量程時，繼續(xù)升高壓力，低量程活塞和活塞筒低部接觸而停止工作。高量程活塞在壓力作用下，繼續(xù)向上頂起輔助活塞和祛碼到高量程活塞的工作位里。一般活塞扭蓋量程十分之一到滿量程的壓力范圍，雙量程活塞可扭蓋量程百分之一到滿量程的壓力范圍。而且使用起來非常方便。但是，加工這種活塞需要三個活塞面和兩個活塞筒面同軸，這要比加工通常活塞(要求一個活塞面和一個活塞筒面同軸)困難得多。英國博登(Budeerg)壓力表公司的580DX活塞壓力計即為這種結(jié)構(gòu)。
5.2壓力倍增器 壓力倍增器的設(shè)計是為了把高壓活塞壓力計的量程向上延伸數(shù)倍，使高壓活塞壓力計即可做一般高壓測量，也可做超高壓測量?！ 毫Ρ对銎鞯慕Y(jié)構(gòu)如[圖6]：它包括兩套耦合的活塞，低壓活塞的面積是高壓活塞的數(shù)倍(設(shè)為K)，當(dāng)壓力倍增器的禍合活塞達(dá)到平衡時，高壓活塞上端的壓力是低壓活塞下端的壓力的K倍。活塞的面積比K即為壓力倍增器的計量參數(shù)。一般壓力倍增器的兩個活塞組采用同一材料制造，溫度膨脹系數(shù)相同，K值不受溫度影響。而由于兩組活塞所受壓力不同，K值是壓力的函數(shù):K=K0x(1+λp),λ可由試驗得到。法國DH公司生產(chǎn)的超高壓活塞壓力計即采用了壓力倍增器，這種超高壓標(biāo)準(zhǔn)與可控間隙超高壓活塞相比，測量起始壓力低，結(jié)構(gòu)小巧輕便，可以方便的移動。
5.3壓力差分器 壓力差分器的設(shè)計是為了靜壓下小差壓的測量，靜壓可為任何負(fù)壓、正壓，z*高可達(dá)40MPa。結(jié)構(gòu)如[圖7]:它包括三組同軸的活塞，上、下活塞面積相等，中間活塞的面積是上、下活塞的數(shù)倍(設(shè)為K)?；钊g有兩個腔體，腔內(nèi)被導(dǎo)入靜壓后由閥門分離，上方腔體加以小壓力△p，則由此增加的向下的附加力為(S-s) xAp，要使壓力差分器活塞平衡，則必須在下端活塞底部增加壓力卻，△p平面，使SX△P平面=(S-s)x△p，則 圖7 △p平面和靜壓可由其它活塞測量，從而可得到差壓，差壓量程由面積比確定，且為壓力差分器w*的參數(shù)Ka, Kd不受溫度和壓力的影響。這種差壓測量方法，所測差壓可以很小，且與靜壓無關(guān)，操作非常方便，這是雙活塞活塞壓力計所做不到的。DH公司的1500即是典型的壓力差分器，Kd為100。
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