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活塞式压力计的基本原理及应用
作者: Kurt Sol
德鲁克集闭美国罗斯ド仪器公司技术副总裁
P O Box 630009 Houston. TX77263-0009 USA
翻译:董春代表处经理
英国德鲁克有限公司北京代表处
摘要:本文对活塞压力计的工作原理、结
由此方法得到的压力的不确定度取決于仪
构类型、误差因素进行了较为详细的介绍,并器本身的物理特性:(和不确定度)以及许多外
结合具体实例,对活塞压力计的不确定因素进
部影响因素。所有因素都必须予以深入的分析
行了定量分析。
和考虑。对不确定度影响因素的重视程度将直
关键词:活塞、压力计
接决定测量结果“误差”的大小。
来白活塞式压力计本身的测量不确定度的
压力(P)不是独立的基本物理量,而是质
影响分量主要有:砝码、活塞系统的刚度、活
量和长度量的导出量。压力的定义为:
塞系统的温度膨胀系数、流体的表面张力、垂
P=F/A
直度影响、以及磁场对磁性部件的影响等。
式中,F为力值,A为承受该力值的面积。
VF
根据以上原理,我们可以米用多种方法通
过特定的机械装置产生压力。其中最常见的方
法是液体力计装置和活塞式压力计装置。
本文将对活基式压力计装置进行讨论。
活式压力计又称为静重式压力计,是利
用流体静力平衡原理及帕斯ド定律工作的仪
传压介质
器.
流体許力平衡是通过作用在活塞系统的力值
图1
与传压介质产生的反作用力相平衡实现的。活塞
系统由活塞和缸体(活塞筒)组成,二者形成极
来自外部因素的不确定度影响分量主要
好的动密封配合。活塞的面积(有效画积)是已
有:使用地点的重力加速度、砂码在空:中受
知的,当已知的力值作用在活塞一·端时,活塞另
到的浮力、操作环境的受控程度和稳定程度。
端的传压介质会产生与已知力值人小相等方向
应该注意到:我们以上讨论的不确定度分量只
相反的力与该力相平衡。由此,可以通过作用力
是局限在活棐压力计本身的测量不确定度进行
值和活塞的有效面积计算得到系统内传压介质的
分析得出的。如果我们要给出被校验仪器的测
压力。在实际应用中,力值通常出砝码的质量乘
量不确定度报告,还必须对其他因素加以考
以使用地点的重力加速度得到。
活塞式压力计的结构类型有很多种。最基
虑。这地因素包括:与流体介质种类和参考压
力(或压)相关的位置差、系统泄漏、温度
本的结构原埋如图1所示。
梯度等。
活塞压力计的结构
基本组成
有效面积通常会减小,为“负”压力变形系
活塞式压力计的基本组成原理如图2所
可控间隙型:在这种结构类型中,活塞和活塞
从图2可以看出,活寒応力计由活塞、活
筒之问的间隙由作用在活棐筒外部(参与工作
塞筒、基座、码和压力接口组成。基座对活
部分)的独立压力控制系统进行控制。目的是
系统起攴撑作用并使活桀底部工作面与传压
消除压力变形系数,使得活棐的有效面积不随
介质相接触,基座底部的螺栓用于调节活塞系
系统试驗压力的改变而变化。其结构原理图如
统与地面的垂直度。
图4所示。
图
活塞/活塞筒(活塞系统组件)的类型
对活塞压力让计测量结果影响最人的因素
(尤其在高压力时)是压力对活塞有效面积的
影响。这就是我们通常所说的“压力形变系
数”。基于以上认识,我们通过多种方法对活
塞系统纠件加以完普,力图消除或减小“压力
形变系数”对测量结果的影响。
图4
最典型的活塞系统组件有三种结构形式
分别叫做“基本型”、“复入型”和“可控间
压力与力值的关系
隙型”。这一种结构形式的活塞系统组件由于
基本因素
其易实现性和商业上.的可行性,至今仍被广泛
影响压力与力值关系的基本因素有:浮
采用
力、重力加速度、流体表面张力系数,以及温
度系数引起的线性膨胀、压力系数引起的蝉性
基本型:基本型是所有活塞系统类型中最简单
变形対活塞有效面积的影响等
的一种结构。其结构原埋如图2所示。基本型
由压力的基本定义:
结构中,活塞筒的外表面始终暴露在大气中。
P=A
活塞筒的直径会随着压力的增加而增大,从而
式中:
导致活塞有效面积的增大,为“正”压力変形
活塞工作端面压力值
系数。
作用在活基上的力值(砝码重力)
活棐系统有效面积
复入型:如图3所示。在这种结构类型中,
义由
将活塞系统内部压力施加到活塞筒外表面的
FM,?g1(3)
部分。这样以来,当系统压力增加时,活
得到
根据力值(ビ)、质量(M)、重力加速度
(4)
(g:)选用单位的不同,定义系数k
1--当F单位为N,M单位为kg,g2单位
式中
M砝码质量(经标准检定给出的表观值,包
为m/s2时
括活塞及连接件质量)
k-1/980.665当F単位为公斤力,M单
g-使用地点軍力加速度
位为kg,g单位为cm/s"时
力值修正
表面张力
浮力影响
活力计工作介质为液体时(例如油
或水),必须对表面张力的影响加以考虑。至
根据阿基米徳定律:物体受到的浮力等于
少,需要量化其对活塞压力计整体性能的影
物体排开的流体的車量。物体在空气中的重量
响
要小于物体在真空环境中的重量,减少的重量
等于物体排开的空气的重量,近似等于空气的
活棐筒顶部与活塞接触部位存在的半月形
密度乘以物体的体积。对于形状不规则的物
油膜的表面张力会产生作用于活塞轴向的力。
表面张力定义为:
体,体积很难通过儿何测量的方法计算得到,
即便可以通过计算得到,还需要知道该物体材
料的密度。如果物体的质量是以表观值表示而
式中:
不是以真实质量表示的,则在进行浮力修正
r=表面张力系数(N/m)
时,只要知道称量该物体质量时所使用的标准
C=活塞周长(cm)
砝码的密度就可以了。这种方法已被普遍接
受,并使得浮力影响修正得以简化
H公式(5)、公式(6)可以得到有效力
值的表达式为:
在对表观值表示质量的怯码进行浮力修正
时,可以不必知道佉码的密度,而卢接通过称
量该物体质量时所使川的标准砝码的密度进行
修正(可推导证明)。尽管这样会引入很小的
面积修正-弹性变形
误差,但对于活魅压力计的浮力修正很实用,
当压力计的工作压力增加时,活塞/活塞筒
且不会造成明显的误差。
会发生弹性变形,使得活塞/圆筒体的有效面积
也发生变化,这种面积的改变可以用?个二次
浮力修正公式为:
多项式来表示
A。*1+る1*P+b2*P(8)
式中,
p。砝码周固〔的密度
A。一某参考压力下活塞的面积
p.上级标准砝码的密度
b&b-一弹性变形系数,可通过实验获得
在许多应用中,可以用压力与有效