活塞壓力計概述
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到了壓力測的最高境界。作為最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,并重點強調(diào)了一些概念。力圖能給出一個概括的介紹。
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)量標準,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。
長期以來 ,液體壓力計作為基準,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)達到了3ppm,在徽壓段定義的壓力不確定度也已達到30ppm,而成本和維護費用遠底于液體壓力計。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;钊诨钊矁(nèi)垂直地自由運動,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;钊麎毫τ嫷纳隙艘约八庸璐a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。
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。
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)動速度可使靡擦力最小。轉(zhuǎn)動可以用手,也可以采用馬達,一般高梢度活塞壓力計采用馬達。
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,達到最佳折衷。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。
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) 由上級標準傳遞得到
[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。
一般活塞壓力計測量的壓力可表示為:
要獲得必要的測量精度,必須對上式中的參數(shù)予以重視。