活塞式压力计基本原理及应用.PDFVIP

活塞式压力计 基本原理及应用 作者： 董书 西安云仪仪器仪表有限公司技术总工 Xian Yunyi Instrument Co., Ltd 摘要 • 本文对活塞压力计的工作原理、结构类型、误差因素进行 了较为详细的介绍，并结合具体实例，对活塞压力计的不 确定因素进行了定量分析。 • 关键词：活塞、压力计。 压力的定义 • 压力（P）不是独立的基本物理量，而是质量和长 度量的导出量。 • 压力的定义为：P = F/A (1) • 式中: • F 为力值 • A 为承受该力值的面积 • 根据以上原理，我们可以采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 压力计装置和活塞式压力计装置。 理论依据及结构 • 活塞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卡定律工作的仪器。 • 活塞式压力计的结构类型有很多种，最基本的结 构原理如图 1 所示。 流体静力平衡 • 流体静力平衡是通过作用在活塞系统的力值与传 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，二者形成极好的 动密封配合。活塞的面积（有效面积）是已知 的，当已知的力值作用在活塞一端时，活塞另一 端的传压介质会产生与已知力值大小相等方向相 反的力与该力相平衡。由此，可以通过作用力值 和活塞的有效面积计算得到系统内传压介质的压 力。在实际应用中，力值通常由砝码的质量乘以 使用地点的重力加速度得到。 不确定度影响因素 • 由此方法得到的压力的不确定度取决于仪器本身 的物理特性（和不确定度）以及许多外部影响因 素。 所有因素都必须予以深入的分析和考虑。对 不确定度影响因素的重视程度将直接决定测量结 果误差”的大小。 不确定度内部影响因素 • 来自活塞式压力计本身的测量不确定度的影响分 量主要有：砝码、活塞系统的刚度、活塞系统的 温度膨胀系数、流体的表面张力、垂直度影响、 以及磁场对磁性部件的影响等。 不确定度外部影响因素 • 来自外部因素的不确定度影响分量主要有：使用 地点的重力加速度、砝码在空气中受到的浮力、 操作环境的受控程度和稳定程度。 • 应该注意到：我们以上讨论的不确定度分量只是 局限在活塞压力计本身的测量不确定度进行分析 得出的。如果我们要给出被校验仪器的测量不确 定度报告，还必须对其他因素加以考虑。这些因 素包括：与流体介质种类和参考压力（或气压） 相关的位置差、系统泄漏、温度梯度等。 基本组成 • 活塞式压力计的基本组成原理如图 2 所示： • 从图2 可以看出，活塞压力计由活塞、活塞筒、 基座、砝码和压力接口组成。基座对活塞系统起 支撑作用并使活塞底部工作面与传压介质相接 触，基座底部的螺栓用于调节活塞系统与地面的 垂直度。 活塞/活塞筒（活塞系统组件）的类型 • 对活塞压力计测量结果影响最大的因素（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组件加以完 善，力图消除或减小压力形变系数”对测量结果 的影响。 • 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 可控间隙型” 。这三种结 构形式的活塞系统组件由于其易实现性和商业上 的可行性，至今仍被广泛采用。 基本型 • 基本型是所有活塞系统类型中最简单的一种结 构，其结构原理如图 2 所示。 • 基本型结构中，活塞筒的外表面始终暴露在大气 中。活塞筒的直径会随着压力的增加而增大，从 而导致活塞有效面积的增大，为 正”压力变形系 数。 复入型 • 复入型 ：如图3 所示。 • 在这种结构类型中，将活塞系统内部压力施加到 活塞筒外表面的一部分。这样以来，当系统压力 增加时，活塞的有效面积通常会减小，为 负”压 力变形系数。 可控间隙型 • 可控间隙型: 如图4 。 • 在这种结构类型中，活塞和活塞筒之间的间隙由 作用在活塞筒外部（参与工作部分）的独立压力