活塞壓力計(jì)概述
目前，活塞壓力計(jì)作為壓力計(jì)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(jì)的測(cè)量不確定度也達(dá)到了壓力測(cè)的最高境界。作為最充滿活力的一種測(cè)壓手段，無(wú)貶，活塞壓力計(jì)將扮演越來(lái)越重要的角色。本文簡(jiǎn)要介紹了活塞壓力計(jì)的原理、發(fā)展歷史、活塞分類和發(fā)展趨勢(shì)，并重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了一些概念。力圖能給出一個(gè)概括的介紹。
一、引言
壓力作為非基本量，是由質(zhì)量、長(zhǎng)度和時(shí)間三個(gè)墓本量按照壓力定義公式導(dǎo)出的.物理學(xué)上有兩個(gè)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(jì)和液體壓力計(jì)�；钊麎毫τ�(jì)直接按照壓力的定義公:P=F/A定義壓力，液體壓力計(jì)則由壓力作用在液面上產(chǎn)生的液柱差計(jì)算壓力:P=pgh。
長(zhǎng)期以來(lái) ，液體壓力計(jì)作為基準(zhǔn)，主要定義低于400kPa以下的壓力，而活塞壓力計(jì)在l00kPa直到2500MPa的壓力范圍內(nèi)定義壓力，對(duì)于更商的壓力則采用特定物質(zhì)的相變點(diǎn)作為壓力的固定點(diǎn)，采用插值法分度壓力。近年來(lái)，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(jì)的計(jì)量性能得到了巨大的發(fā)展，活塞壓力計(jì)在氣壓段定義的壓力不確定度已經(jīng)達(dá)到了3ppm，在徽壓段定義的壓力不確定度也已達(dá)到30ppm，而成本和維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)底于液體壓力計(jì)。毫無(wú)疑問，活塞壓力計(jì)在壓力計(jì)里方面將扮演越來(lái)越重要的角色。
二、活塞壓力計(jì)介紹
2.1 工作原理
活塞壓力計(jì)是以流體靜力學(xué)平衡原理及帕斯卡定律為墓礎(chǔ)測(cè)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(chǎng)中產(chǎn)生的力，A為活塞的有效而積�；钊麎毫τ�(jì)的原理如[圖1]由括塞組件和琺碼組組成�；钊诨钊矁�(nèi)垂直地自由運(yùn)動(dòng)，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(jì)可用來(lái)測(cè)A氣體壓力和液體壓力。活塞壓力計(jì)的上端以及所加硅碼組有空氣包圍(絕壓測(cè)量則為真空)。
2.2 工作介質(zhì)
活塞壓力計(jì)按照設(shè)計(jì)分為氣介質(zhì)和液體介質(zhì)兩類。
油介質(zhì)活塞壓力計(jì)可扭蓋幾十千帕直到2500MPa的壓力，油作為傳壓介質(zhì)同時(shí)也潤(rùn)滑活塞系統(tǒng)，通常油介質(zhì)活塞壓力計(jì)集成有壓力發(fā)生和調(diào)節(jié)裝置，使用起來(lái)非常方便。由于在做低壓側(cè)t時(shí)，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。
氣體活塞壓力計(jì)是非常適合低壓測(cè)量的，但是，如果用氣體潤(rùn)滑活塞系統(tǒng)要求潔凈氣體，并且通過(guò)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(rùn)滑氣介質(zhì)活塞一般使用在7MPa以下。另一種為油潤(rùn)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(jì)的質(zhì)量水平
一個(gè)活塞壓力計(jì)的壓力測(cè)量質(zhì)量受兩各方面的影響:
a) 我們對(duì)它的影響參致的認(rèn)知水平
b) 壓力測(cè)量時(shí)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(shí)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(rùn)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(gè)徽米、延遲時(shí)間達(dá)幾個(gè)小時(shí)、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，可使活塞最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(dòng)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(gè)均勻的潤(rùn)滑膜，從而減小活塞和活塞筒之間的摩擦力，合適的轉(zhuǎn)動(dòng)速度可使靡擦力最小。轉(zhuǎn)動(dòng)可以用手，也可以采用馬達(dá)，一般高梢度活塞壓力計(jì)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(jì)的祛碼承重盤設(shè)計(jì)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(dòng)。
2.3.4 潤(rùn)清流體
潤(rùn)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(guò)活塞間隙時(shí)，摩擦力大，粘度小的流體在通過(guò)活塞間隙時(shí)，泄搖過(guò)快，難以穩(wěn)定，因此，對(duì)于特定活塞，應(yīng)該選擇合適粘度的流體，達(dá)到最佳折衷。對(duì)于購(gòu)買的活塞壓力計(jì)，建議不要輕易更改廠家推薦的潤(rùn)滑流體。
2.4 自動(dòng)壓力控制
當(dāng)我們?cè)?一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定一個(gè)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。活塞壓力計(jì)卻不同，它具有自動(dòng)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(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)容積，保持壓力恒定。只要一個(gè)外部壓力發(fā)生器加壓活塞到工作位里，在活塞浮動(dòng)期間，系統(tǒng)自動(dòng)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?cè)俅翁崞饓毫Χx公式:P=F/A，壓力的測(cè)里依旗于我們對(duì)力F和面積A的認(rèn)知。
2.5.1 力的確定
處于重力場(chǎng)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(cè)量時(shí)，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(cè)量時(shí)，該項(xiàng)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(duì)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(dòng)為層流，在中立面，層之間的相對(duì)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(gè)圓柱面間流動(dòng)的流體中立面半徑為:
其中R為活塞簡(jiǎn)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(jí)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。
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(cè)量
c) 由上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)傳遞得到
[I+αc+αP(t-20'C)]項(xiàng)為溫度變化修正項(xiàng)，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(xiàng)為壓力形變修正項(xiàng)，λ為壓力形變系數(shù)，P為工作壓力。
對(duì)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(shí)驗(yàn)得到。
一般活塞壓力計(jì)測(cè)量的壓力可表示為:
要獲得必要的測(cè)量精度，必須對(duì)上式中的參數(shù)予以重視。
