活塞压力计概述(1)

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　　目前，活塞压力计作为压力计量的主要手段，已经渗透到了几乎所有的压力范围，这包括徽压、气压和超高压，活塞压力计的测量不确定度也达到了压力测的最高境界。作为最充满活力的一种测压手段，无贬，活塞压力计将扮演越来越重要的角色。本文简要介绍了活塞压力计的原理、发展历史、活塞分类和发展趋势，并重点强调了一些概念。力图能给出一个概括的介绍。
# Q# h# T5 }" o3 C$ h  一、引言
/ K' z" P( V5 @4 ]$ A' H7 {  　　压力作为非基本量，是由质量、长度和时间三个墓本量按照压力定义公式导出的.物理学上有两个基本定律，定义了两种压力侧量标准，这就是活塞压力计和液体压力计。活塞压力计直接按照压力的定义公:P=F/A定义压力，液体压力计则由压力作用在液面上产生的液柱差计算压力:P=pgh。
1 Z$ h+ {& v4 m; e$ N, J9 Z+ D4 }  　　长期以来 ，液体压力计作为基准，主要定义低于400kPa以下的压力，而活塞压力计在l00kPa直到2500MPa的压力范围内定义压力，对于更商的压力则采用特定物质的相变点作为压力的固定点，采用插值法分度压力。近年来，随着活塞加工工艺水平的提高和圆度洲f技术的发展，活塞压力计的计量性能得到了巨大的发展，活塞压力计在气压段定义的压力不确定度已经达到了3ppm，在徽压段定义的压力不确定度也已达到30ppm，而成本和维护费用远底于液体压力计。毫无疑问，活塞压力计在压力计里方面将扮演越来越重要的角色。
+ H* E4 }) `! J, F  二、活塞压力计介绍
, \5 {5 q) L1 o6 g) P$ h  
  2.1 工作原理
6 D, Q; T& y) e; x1 F  　　活塞压力计是以流体静力学平衡原理及帕斯卡定律为墓础测量压力的，压力定义公式如下:
- ~5 j: T/ G1 T# O. @+ ?! G  p=F/A
) N( e# l4 }: b& K# X5 |  　　其中F为活塞及所加硅码在重力场中产生的力，A为活塞的有效而积。活塞压力计的原理如[图1]由括塞组件和珐码组组成。活塞在活塞筒内垂直地自由运动，压力作用在活塞底面产生的力和加于活塞上端的硅码重力相平衡。活塞底端的流体可为气体或液体，活塞压力计可用来测A气体压力和液体压力。活塞压力计的上端以及所加硅码组有空气包围(绝压测量则为真空)。
  2.2 工作介质
9 W7 ^6 k3 \8 n  　　活塞压力计按照设计分为气介质和液体介质两类。
# u( {! A& K, ?  I* _  　　油介质活塞压力计可扭盖几十千帕直到2500MPa的压力，油作为传压介质同时也润滑活塞系统，通常油介质活塞压力计集成有压力发生和调节装置，使用起来非常方便。由于在做低压侧t时，必须考虑液柱差的影响，因此限制了油介质活塞在低压下的应用。
, o2 u  g6 a/ p  　　气体活塞压力计是非常适合低压测量的，但是，如果用气体润滑活塞系统要求洁净气体，并且通过活塞间隙的气体流量必须足够小，否则，将影响活塞的分辨率。因此，气润滑气介质活塞一般使用在7MPa以下。另一种为油润滑、气介质活塞，由于活塞间隙由油密封而变的非常稳定。气压侧量可达150MPa。
* V/ k+ A( m9 c* a  2.3 活塞压力计的质量水平
  　　一个活塞压力计的压力测量质量受两各方面的影响:
3 }% `8 X# Q* c" n* V9 f  　　a) 我们对它的影响参致的认知水平
& W6 q4 X' J/ D& Q" i3 Z& @　　b) 压力测量时的平衡质质量
  　　好的活塞平衡质量要求活塞具有好的延迟时间和下降速度，这就要求在以下方面做工作:
  　　- 活塞加工质量和活塞系统材料选取
　　-活塞的旋转速度
　　- 降低 旋 转部分的重心
; ^: S- T1 K0 W! W9 S9 B% x( b" G% [　　-润滑液体的选择
% f5 _/ o2 G) h; a7 _  2.3.1 加工质量和材料选取
: p1 b' w. o' v' X' R  　　优质材料的选用以及优秀的加工工艺是活塞加工的关键，世界著名的活塞生产厂家可加工出活塞间隙只有十分之几个徽米、延迟时间达几个小时、下降速度优于0.lm m/分钟的优质活塞。高硬度、低热膨胀系数和弹性形变系数材料的选用，可使活塞最大限度的保持初始的几何形状。
7 s5 x/ h# X+ ]! o! d, v) e) K, x  2.3.2 活塞的旋转
  　　旋转的活塞及祛码具有转动惯量而保持垂直取向，使活塞处于活塞筒的中央，在活塞间隙中产生一个均匀的润滑膜，从而减小活塞和活塞筒之间的摩擦力，合适的转动速度可使靡擦力最小。转动可以用手，也可以采用马达，一般高梢度活塞压力计采用马达。
  2.3.3 旋转部分的重心
7 @3 e/ Q  m! R2 c  　　为了使活塞处于活塞筒中央，一些活塞压力计的祛码承重盘设计为筒状，使硅码重心尽可能的低，这样可保持活塞垂直井理想的在活塞筒中运动。
  2.3.4 润清流体
6 M/ u5 u7 W6 g' t0 E  n  　　润滑流体的选择也影响活塞的平衡质里，粘度大的流体，在通过活塞间隙时，摩擦力大，粘度小的流体在通过活塞间隙时，泄摇过快，难以稳定，因此，对于特定活塞，应该选择合适粘度的流体，达到最佳折衷。对于购买的活塞压力计，建议不要轻易更改厂家推荐的润滑流体。
  2.4 自动压力控制
' r/ D: q+ Q* A: u# }' ?# s& C, v/ A  　　当我们在 一个系统内设定一个稳定的压力后，由于系统的泄件或沮度变化等原因，租住压力是很不容易的。活塞压力计却不同，它具有自动压力控制能力，一旦压力被设定.由于活塞在上、下限之间运动，自动调节系统容积，保持压力恒定。只要一个外部压力发生器加压活塞到工作位里，在活塞浮动期间，系统自动调节，保持压力不变。
  2.5 修正系数及其影响
$ y5 V, k0 w- ~% D7 k  　　这里我们再次提起压力定义公式:P=F/A，压力的测里依旗于我们对力F和面积A的认知。
  2.5.1 力的确定
- K* N1 o9 J$ f. O- b$ M5 H  　　处于重力场中的祛码M产生的力可表示为:
" [! a1 c' ~$ ?+ E. }/ J  F= M g(1--ρa/ρM)
5 ~4 ~1 H: [% v  　　其中M为当地的重力加速度。在作表压测量时，砝码还受到大气压力的浮力，考虑到浮力影响，力可表示为:
  　　F=Mg (1-ρa/ρM)+ΓπD
6 o1 o0 i: l. b2 y' E! o: y  　　这里Γ是流体的表面张力系数，D为活塞的直径，在作低精度测量时，该项可忽略。
  2.5.2 活塞组件有效面积的确定
  　　活塞组件的有效面积是温度和压力的函数，可表示为:
3 j; j1 }  S2 m" f  　　A=A0[1+(αc +αμ)(t-20℃)](1+λP)
; u9 i/ n# M, ?, \8 {( f  　　A0为活塞组件在零压和20℃下的有效面积.对于理想几何形状的活塞，活塞筒和活塞杆之间的间隙内流体的流动为层流，在中立面，层之间的相对流速为零，层之间没有膝擦力，因此，中立面的半径即为活塞组件的有效半径，根据经典的粘性流体力学可知，两个圆柱面间流动的流体中立面半径为:
/ T6 S% r, d3 n4 M; M+ V' t  
  　　其中R为活塞简半径，r为活塞半径，取活塞间隙为h，则R=r+h，代入上式并取一级近似有:
  
  　　则活塞组件的有效面积为:
8 P" s2 n) _# U" j  　　A0=πR2n=πr2+πrh
- j( l7 q( i. J  　　即:活塞组件的有效面积为活塞杆的面积与活塞间隙面积的一半。
! M, u$ c/ [2 Z; E% b+ Q  　　活塞组件的有效面积可由三种方法得到:
3 I+ N, _7 k& O3 P; F$ Y0 {2 W  　　a) 直接几何尺寸侧量
　　b) 下降速度测量
　　c) 由上级标准传递得到
6 [. g! n/ ?4 i- ?" I& [; j& J( _  　　[I+αc+αP(t-20'C)]项为温度变化修正项，αc和αP为活塞杆和活塞筒的线性热形胀系数，t为活塞组件温度。
  　　(1+λP)项为压力形变修正项，λ为压力形变系数，P为工作压力。
+ e6 E3 F, f. L3 E, T  　　对于自由形变活塞，压力形变系数可由理论导出，反压型活塞，则压力形变系数由实验得到。
, x2 S' P- I% [  G0 l, y  　　一般活塞压力计测量的压力可表示为:
9 D) o7 Q: I8 F& c; b  
5 Z# t9 I& [+ N$ a) W1 Y1 b  　　要获得必要的测量精度，必须对上式中的参数予以重视。