CN103512700A - 一种声速实时标定的液体压力计及压力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声速实时标定的液体压力计及压力测量方法。液体压力计可以实现绝压、表压和差压的测量，包括声速测量系统和高度测量系统；二者的外形为高低U型管结构，并连接至同一个待测压力处；声速测量系统中设置有自由悬浮于液面的浮子；浮子内部设置有激光反射部件，浮子的下端面为超声信号的反射面；U形管底部设置有超声晶片。本压力测量方法，是通过对U型高低管中的低管施加压力时，高低管之间产生相应变化的液位差，激光干涉仪和超声干涉仪实时测量浮子的位移以及对应的超声回波时间，进而得到实时的声速；高度测量系统根据该声速和超声干涉仪测得超声波在此压力下在液体介质中的渡越时间，再依据声速测量系统测得的声速而得到液柱高度差，从而得到被测压力。本发明通过改进测量装置的结构，使超声接收信号的信噪比大大提高，大大降低了液体压力计的测量不确定度。

Description

一种声速实时标定的液体压力计及压力测量方法

技术领域

本发明涉及一种液体压力计，尤其涉及一种带有声速实时标定功能的液体压力计，本发明涉及的一种声速实时标定的液体压力计的实际名称为（0-10）kPa微压液体压力基准。

背景技术

由于高准确度的液体压力计可以直接溯源至基本量而被各国家计量机构广泛作为气压段以下的国家压力基准。在我国，在10kPa以下的微小压力段，一直以来都没有建立相应的基标准装置。（0-10）kPa微压液体压力基准的建立将完善我国的压力基标准体系，填补我国此量程段压力基标准的空白，解决此量程段全国压力标准的溯源难题。

针对我国现有的压力基标准的建立情况，在10kPa的绝压测量上一直都是空白，为了填补10kPa以下我国压力基准的空白，完善我国的基标准体系，满足日益增加的压力溯源及传递的要求以及提升我国CMC能力，我们提出了本申请，旨在通过建立一套(0～10)kPa微压段的液体压力测量系统和方法，同时实现表压、绝压和差压的测量，填补我国微压压力基准的空白，进一步完善我国现有的压力基标准体系，更好的为国民经济服务。

（0-10）kPa微压液体压力基准基于流体静力平衡原理和流体静力平衡方程，即p＝ρgh,通过精确测量液体密度ρ、当地重力加速度g和液柱高度差h而得到被测压力值。其中当地的重力加速度由我院力学处重力加速度室在2011年10月测得，其值为9.801260m/s²，其测量不确定度为0.1ppm。液体密度由我院密度室测得，其测量不确定度为5.8ppm，液体的高度差通过测量穿过液柱的超声波从发射到接收的时间，采用超声干涉的方法，利用超外差接器、正交相敏探测器和门控积分器精确测量由于液柱高度的变化导致的相位的变化，其声时的测量不确定度为0.3ns，相应的高度测量不确定度约为0.6um。微压液体压力基准的不确定度为0.003%。

现有技术中，中国专利CN2247804Y提供了一种超声波数字化微压差计，其特点如下：

1）采用蒸馏水为工作介质。

由于水的室温饱和蒸汽压很高(约为2000Pa)，只适合表压的测量，不适合绝压的测量。

2）采用标准管来标定声速。

现有技术通过预先测量的标准管的长度作为实际超声波的渡越距离。实际上，超声波的渡越距离与标准管的长度相差很大，主要是由于：超声晶片是通过粘合剂粘帖在固定板上的，因此超声晶片发射的超声波也要穿越一定厚度的粘合剂，而粘合剂的厚度很难测量；另外超声传感器须通过氟橡胶O型圈或聚四氟垫片与标准管密封连接，而压紧时这种形式的密封垫片都会有形变，因此导致实际上超声波标准管的长度根本无法精确测量（测量误差大于1mm），所以严格来讲，标准管的长度虽然能够精确测量，但它的长度并不是超声波穿越此标准管的真实距离。因此用这种方式标定的声速具有较大的测量误差。

3）未采用温度稳定措施。

由于液体中的声速对温度非常敏感，每0.1℃温度变化会带来大约0.03%的声速的变化，因此如果没有均匀和稳定的温场，液柱的高度测量会有很大误差。

发明内容

为了解决现有技术中的液体压力计无法测量绝压和无法作为基标准精确测量压力的问题，本发明提供了一种能实现声速实时标定的液体压力计。

（0-10）kPa微压液体压力基准可以实现微小表压、差压和绝压的测量。主要包括U型管容器系统、超声测量系统、温度测量系统、声速测量系统、气控系统、真空箱体及其吊装机构以及数据采集处理系统。基准采用Di-2-ethlhexylsebacate(DEHS)为液体工作介质，为了解决液体介质对金属容器壁的攀附现象，我们采用了一种疏油特氟龙涂层，并在声速测量系统中，设计制作了专门的浮子机构，首次实现声速的实时测量，以便排除温度、压力对声速的影响。U型管容器系统置于真空箱体之内，真空箱内的压力小于10Pa，以避免外界空气向系统的渗漏并保持真空箱内液体压力计温度的稳定。6只标准铂电阻温度计布于液体压力计的不同部位，整套装置通过计算机、3499开关控制器和测试软件实现数据的自动采集与处理。

本发明所采用的技术原理和方案

(0～10)kPa的微压液体压力基准基于U型液体压力计的工作原理，即施加于U形管一端的被测压力p与由此而引起的液柱高度差h而产生的重力相平衡，即：

p=r gh

式中r为液体介质的密度，g为当地的重力加速度。

在上式的3个决定压力大小的主要影响量中，重力加速度和密度都可以用相应方法准确测得，而如何精确地测量液柱高度差是决定液体压力计性能指标的最关键因素。

(0～10)kPa的微压液体压力系统采用Di-2-ethlhexyl sebacate (DEHS)为其液体工作介质，采用超声超外差的方法来测量超声波在通过液体介质时从发射到接收的渡越时间，同时液体压力基准的声速测量系统通过对此时实时声速的测量从而得到不同压力和温度下的超声声速，再由此时的声时和声速计算出液柱高度差，而最终得到所测的压力。

传统的U形液体压力计的U型管的两端处于同一个水平面上，当被测压力作用于U形管的一端时，U形管一端中的液体下降1/2h，U形管另一端中的液体上升1/2h，此时，如果工作液体的密度为r，当地的重力加速度为g，则被测压力p=rgh。也就是说若要测量p=rgh大小的压力，U型管两端单臂（单管）的高度需要达到h的高度。

(0～10)kPa的微压液体压力基准的U型容器系统的U形管的两端分别坐落在落差为500mm的两个平台上。在U型管两端压力相等时，U型管内的液体处于同一水平面上，当压力p＝ρgh作用于处于较低位置的低管时，低管内的液体液位下降1/2h的高度，高管内液体的液位上升1/2h的高度，由于U型管落差的存在，这时要测量p=rgh大小的压力，U型管两端单臂（单管）的高度只要达到1/2h的高度即可。这样设计的目的，可以大大减小U型管单臂的长度，使得单臂内液体的高度减小了一半，解决了超声波在液体介质中特别是油介质中信号衰减较大的难题，使得超声接收信号的信噪比大大提高。

本发明中利用超声测量声时的方法最终测量液柱高度。超声声时的测量方法有多种，其中常用的有脉冲回波计数法、脉冲回鸣法、脉冲回波叠加法和超声干涉法。后两者在特定条件下能非常精密地测量介质的绝对声时。本发明中包括的超声声时的测量采用超声干涉技术测量超声信号在液柱中的传播时间，其原理是测量超声回波信号与初始信号的相位差j。

初始超声信号可用下式表示：

y₀=A₀ cos(2p ft)        (2-1)

其中A₀是初始信号的幅度，f是信号的频率，其初始相位设为0。在液柱中传播一段距离后的回波信号则为：

y=Acos(2p ft+j)        (2-2)

其中A是回波信号的幅度，为包含了超声信号在液柱中传播距离信息的相位。相位与信号传播时间T的关系为：

j=-2p fT               (2-3)

其中T为传播时间，包括在液柱中传播时间和在电路中的延时。如果超声在电路中的延时是稳定的，那么传播时间的差值即是液柱中声时的差值；也可以采用第二个回波和第一个回波的相位差（或声时差），这样相应的时间就只是在液柱中的传播时间。

具体实现时采用经90°移相器移相后的信号y₀=A₀sin(2p ft)和移相前的y₀=A₀ cos(2p ft)为参考信号，参考信号和回波信号经正交相变探测器后，高频信号被滤掉，只剩下含有相变信息j的低频信号u₁=sinj和u₂=cosj，从而得到j

$\tan f=\frac{u_1}{u_2}$

$j={\tan }^{-1}\left(\frac{u_1}{u_2}\right)$

本发明中所述的声速测量系统，其原理是当压力变化时，自由漂浮于液体液面上的浮子即液位高度跟踪装置会随着液位的改变而改变。此时安装于声速测量U形管下面的超声晶片，在频率合成器的激励下，产生2MHz的超声波，此超声信号穿过液体介质发射到浮子的下端面，此时浮子的下端面作为超声信号的反射面，反射回来的带有液位高度变化信息的超声波被超声晶片接收，而得到由于液位变化而导致的声时的变化量t-t₀，同时，激光干涉仪测量到由于压力变化而导致的液位高度变化量（L-L₀），从而得到超声波在液体介质中的声速c。

$c=\frac{2(L-L_0)}{t-t_0}$

式中：L₀和L分别为浮子随液位变化前后激光干涉仪测得的高度值；

t₀和t分别为浮子随液位变化前后超声测量系统测得的声时。

本发明的技术方案如下：一种声速实时标定的液体压力计，所述液体压力计包括高度测量系统，声速测量系统、气控系统、液控系统以及数据采集和处理系统；

所述高度测量系统和和声速测量系统分别包括一组U形管：高度测量U形管和声速测量U形管，分别用于测量超声波在液体中的渡越时间和测量液位高度变化量以及液位高度变化时间量；所述高度测量U形管和所述声速测量U形管均充入一定量的液体，且两组U形管内的液体是连通的；

所述声速测量系统包括液位高度变化测量模块以及液位高度变化时间测量模块；

所述液位高度变化测量模块包括两套激光干涉仪，两套液位高度跟踪装置和两套光学镜组；所述光学镜组分别设置在所述液位高度跟踪装置内和光线路径中，所述液位高度跟踪装置悬浮设置在所述声速测量U形管内的液体中实现不同压力下液位高度的实时跟踪，所述激光干涉仪和所述的光学镜组实现不同压力下液位高度变化量△L的测量；

所述液位高度变化时间测量模块包括两组超声晶片和超声干涉仪；所述两组超声晶片分别设置在所述声速U形管两臂的底端，所述超声干涉仪与所述超声晶片通过测量一定频率2MHz～10MHz的超声波在液体中的渡越时间而得到液位变化的时间变化量△T；

所述声速测量系统用于根据液位变化的时间变化量△T和由于压力变化导致的液位高度变化量△L，得到超声波在液体介质中的声速C；

所述高度测量系统包括一组高度测量U形管、两组超声晶片和超声干涉仪；所述两组超声晶片分别设置在所述高度测量U形管两臂的底端，所述超声干涉仪与所述超声晶片通过测量，测得不同压力下超声波在液体中的渡越时间；

所述气控系统用于控制所述各组U形管两端的压力；气控系统包括控制机柜、控制阀门管路、泵组和一组监视仪表；所述泵组用于两组U形管中参考端的抽空以及气体压力的抽出；所述控制阀门管路连接着所述高度测量系统和所述声速测量系统，实现它们之间的关断、连通以及压力大小的调节；所述控制机柜实现对所述控制阀门管路和所述泵组的控制；

所述液控单元包括真空储油罐，U形管间连接液路以及阀门，用于对所述U形管内注入液体以及U形管各臂之间的液路连接的通和断；

所述数据采集和处理系统用于开关控制器的控制以及各种温度、压力和监视仪表数据的采集，并根据所述声速测量系统输入的液位变化的时间变化量△T和液位高度变化量△L，得到超声波在液体介质中的声速C，后根据所述高度测量系统所测得的不同压力下超声波在液体中的渡越时间得到高度测量U形管内液柱的高度差，经过必要的参数修正后最终得到所测的压力。

为了解决现有技术中声速测量时无法准确测量标准长度的问题，设计了独特的液位跟踪装置并将声速测量时的长度直接溯源至激光频率，所述液位高度跟踪装置置于所述的声速测量系统中的声速测量U形管内的液体中，且其结构为浮子，其包括浮筒、角锥镜固定架、浮耳组和导轨；所述浮耳组设置在浮子的上表面外侧，且一个浮耳内设置有导轨轴承，所述导轨穿过该所述浮耳内的轴承；所述角锥镜固定在所述角锥镜固定架上，所述角锥镜固定架固定在所述浮筒内中心位置；所述浮子悬浮在液体中，并随着液面的上下变化而自由的上下运动，且不会有水平位移。

为了克服现有技术中信号衰减和提高信噪比，所述高度测量系统和和声速测量系统所包括的高度测量U形管和声速测量U形管的两臂呈高低错落布置；高管和低管之间的高度差范围是200mm-800mm；

所述声速测量U形管和高度测量U形管各包括2根不锈钢管；4根不锈钢管等长度。4根所述不锈钢管构成2组U型压力计，每组U形管间对应的高低管之间以及两个U型管之间分别相连，并通过阀门控制各组U形管两臂之间的开关以及两组U形管之间的开关。

所述液位高度变化测量模块中，所述每套光学镜组包括一个角锥镜和一个复合镜，所述一个角锥镜设置在所述浮子内，所述复合镜设置在光线路径上；

所述激光干涉仪发出的激光通过复合镜入射到位于浮子中央的角锥镜上，并经过角锥镜的反射，得到与入射光平行的反射光，反射光再次通过复合镜后被激光干涉仪接收，得到浮子随液位高度变化而变化的高度数值。

4组所述超声晶片分别设置在所述高度测量U形管和声速测量U形管两臂的底端，所述声速测量U形管的超声晶片产生的一定频率的超声波穿过液体介质，到达随液位升降而升降的所述浮子的下端面，浮子的下端面作为超声信号的反射面，反射回来的带有液位高度变化信号的超声波信号被超声晶片接收，得到由于液位变化而产生声时的变化量△T。

为了时时监控温度变化，所述液体压力计还包括温度测量系统，所述温度测量系统包括一组标准铂电阻温度计和测温电桥；各个所述标准铂电阻温度计均匀固定在所述两组U形管外壁；所述测温电桥与所述标准铂电阻温度计测得各点的温度信号，同时与所述的数据采集与处理系统连接，实现温度的采集和数据的处理。

为了解决现有技术中温度的变化对声速的影响，极大限度地提升测量水平，所述液体压力计设计了真空箱体，高度测量U形管和声速测量U形管设置在真空箱体内，且真空箱体内的真空度通过机械泵保持在小于10Pa的压力下，以减小热传导和热对流。

为了解决现有技术在测量中的液体攀附的问题，2组所述U形管的内壁和浮子的外壁设置有特氟龙涂层。

本发明另一个发明点就是采用如前所述的液体压力计的测量方法，

所述方法包括：A搭建液体压力计过程，B压力控制过程，C测量过程，D采集和处理数据过程；

所述方法包括：A搭建液体压力计过程，B压力控制过程，C测量过程，D采集和处理数据过程；

所述A搭建液体压力计过程包括将高度测量系统，声速测量系统，气控系统，液控系统，温度测量系统以及数据采集和处理系统，真空箱体通过线路及各种控制阀连接；

所述B压力控制过程包括对U形管两端进行压力控制，实现表压、差压和绝压的测量；

所述C测量过程包括，采用超声干涉法测量超声波在液体中的渡越时间；且进行声速的实时测量；所述声速的实时测量方法：采用激光干涉仪和超声干涉仪分别测量液位高度跟踪装置所移动的距离以及移动此距离的声时的变化量而得到工作温度、压力等条件下的实时的声速；

具体测量过程包括开启各个测量设备，并对2组U形管中的2根低管加压，所述激光干涉仪和所述超声干涉仪通过测量液位高度跟踪装置在此温度和压力下的移动距离△L和时间△T，得到在此温度和压力下超声波的声速，所述高度测量系统中的超声干涉仪通过测量超声波在液体介质中的渡越时间T，并依据所述声速测量系统得到的声速，得到液柱的高度从而最终得到被测得压力。即通过高度测量系统和声速测量系统共同实现液柱高度的测量；

所述D采集和处理数据过程包括，所述数据采集和处理系统利用开关控制器根据需要读取各点的温度数值，同时采集声速测量系统和高度测量系统的测量数据以及各监视仪表的数值，对所有测量结果的计算以及完成必要的修正后得到被测压力值。

所述U形管中的液体为癸二酸二异辛酯。

本发明带来的有益效果如下：

1）本发明采用U型高低管落差布局，由于U型高低管中的两支单管之间存在落差，因此测量p=rgh的压力时，只需令两支单管中的液面落差达到1/2h即可。因此，使得单管高度减小了一半，解决了超声波在液体介质中特别是油介质中信号衰减较大的难题，使得超声接收信号的信噪比大大提高。

2）本发明采用了一定成分的绝热技术，将液体压力计置于一真空腔体中，腔体内的真空度小于10Pa，因此大大减少了热对流和热传导，使液体压力计的温度均匀稳定。

3）本发明采用癸二酸二异辛酯代替蒸馏水作为工作介质，其常温下的饱和蒸汽压约为5×10^-6Pa，远小于蒸馏水的饱和蒸汽压（2000Pa），更适合绝压的测量。

4）激光干涉仪的长度测量误差小于0.1um，因此利用激光干涉仪实时地测量浮子的移动距离以及浮子移动此距离的超声回波时间而得到实时地声速，大大降低了液体压力计的测量不确定度，使不确定度由0.03%降低到0.003%。

5）本发明对U形管采用了特氟龙喷涂处理，解决了液体在容器表面的攀附问题，使液位高度测量的不确定度大大降低。

附图说明

图1为本发明一种声速实时标定的液体压力计的结构示意图；

图2为本发明U形管组的结构示意图；

图3为本发明中U形管组气路与液路连接示意图；

图4为本发明中声速测量和温度测量工作示意图；

图5为本发明中浮子的结构示意图；

图6为本发明中气控系统的结构示意图

附图编号说明：

1-声速测量U形管；2-高度测量U形管；3-浮子；4-激光干涉仪；

5-真空腔体；6-温度传感器；7-测温电桥；8-信号处理系统；

9-超声干涉仪；10-角锥镜；11-反光镜；12-浮筒；13-角锥镜固定架；

；15-超声晶片；16-气控系统；17-液控系统；18-测高关断阀；

19-声速关断阀；20-测高/声速关断阀；21-真空罩电阻规；

22-开关控制器；

1601-干泵；1602-第一油泵；1603-电阻规；1604-高压氮气；

1605-数字压力表；1606-减压器；1607-微调阀；1608-压力计；

1609-电离规；1610-分子泵；1611-薄膜真空计

1701-真空储油罐；1702-第二油泵；1703-第三电磁阀；1704-第四球阀；

E1-第一电磁阀；E2-第二电磁阀；

K1-第一关断阀；K2-第二关断阀；K3-第三关断阀；K4-第四关断阀；

K5-第五关断阀；K6-第六关断阀；K7-第七关断阀；K8-第八关断阀；

K9-第九关断阀；K10-第十关断阀；K11-第十一关断阀；

K12-第十二关断阀；N1-第一针阀；N2-第二针阀；N3-第三针阀；

N4-第四针阀；N5-第五针阀；B3-第一球阀；B4-第二球阀；

B5-第三球阀；

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明，本发明的保护范围不局限于下述的具体实施方式。

具体实施方式

本发明中声速实时标定的液体压力计中的U形管的两端分别坐落在落差为500mm的两个平台上，如图1或图2所示。在U型管两端压力相等时，U型管内的液体处于同一水平面上，当压力p=rgh作用于处于较低位置的低管时，低管内的液体液位下降1/2h的高度，高管内液体的液位上升1/2和的高度，由于U型管落差的存在，这时要测量测量p=rgh大小的压力，U型管两端单臂（单管）的高度只要达到1/2h的高度即可。这样设计的目的，可以大大减小U型管单臂的长度，使得单臂内液体的高度减小了一半，解决了超声波在液体介质中特别是油介质中信号衰减较大的难题，使得超声接收信号的信噪比大大提高。

由图1可以看出，U型容器系统由4根高度相同的，内径为90mm的不锈钢管分别坐落在落差在500mm的两个平台上，4根不锈钢管实际上构成2个U型压力计，其中一个U型压力计（右侧两根高低不锈钢管）用于声速的测量，左侧U型管压力计（左侧两根不锈钢管）用于测量被测压力，两个U型管压力计的对应的高低管之间以及两个U型管压力计之间分别相连，并有阀门用于控制它们之间的通与断，以满足不同的测量需求。当这些连通阀门开启时，两套U型管压力计（即压力测量U型计和声速测量U型计）中的液位高度随着压力的变化，同时发生相同的变化，这样用于声速的U型管即可以得到此时压力和温度条件下实时的声速，用于压力测量的U型管可以根据这个实标的声速和超声干涉仪测得的时间，得到此时的被测压力。

由于我们使用的工作介质为Di-2-ethlhexyl sebacate(DEHS)，这是一种饱和蒸汽压非常小的油，其蒸气压可以达到10^-6Pa，但这种油对不锈钢有较强的攀附效应，为了解决这种油在不锈钢内壁上的攀附问题，我们选择了特氟龙材料对不锈钢管进行了处理：将特氟龙材料喷涂在4根不锈钢管的内壁。经过这种处理，使得(DEHS)在不锈钢表面上的接触角从14°增加到56°。经过实验，采用这种材料的喷涂处理后的U型容器系统由于液体介质的攀附作用而导致的液柱高度的变化由20um降低到3um。

U型容器系统的下部有用于油路连通的管路，上部有用于气路连通的管路，用于油路连通的管路为3/8软管和接头，用于气路连通管路为KF25、CF25及波纹管。U型容器系统的油路通过真空腔体5上的接口和阀门实现声速高低管之间的关断、压力测量高低管间的关断以及声速与压力测量管间的关断，并最终与真空腔体5外的真空储油罐1701相连；U型容器系统的气路通过真空腔体5上的接口和阀门实现声速与压力测量管间参考端以及声速与压力测量管间压力端的关断，并最终与气控系统16的参考端与压力端相连。

声速测量系统包括U型管组、浮子3系统、激光干涉测长系统和超声测量系统。

具体的，U型管系统实质上是U型容器系统的一部分，由两根错落布置的不锈钢管组成，两根不锈钢管通过3/8英寸的软管相连，并分别通过关断阀与压力测量管的高管和低管相连，以实现不同压力和温度条件下超声波在油中声速的实时测量。U型管系统气路和液路的结构和连接如图所示。

浮子3主要由浮筒12、角锥镜固定架13、角锥镜10、浮耳和导轨等组成，如图所示。

角锥镜10通过角锥镜固定架13放置于浮筒12的中心位置，3个浮耳均匀固定在浮筒12上部的圆周上，其中一个浮耳的内部通过轴承可以保证在3mm光轴上的上下灵活运动，这样就可以实现固定角锥镜10的浮筒12可以悬浮在油中，并随着油面的上下变化而自由的上下运动。

激光干涉测长系统采用两套RENISSAW的XL80激光干涉仪4系统。该干涉仪数据稳定，发热量小，零漂小，其测量不确定度小于0.5ppm。两台激光干涉仪4分别固定在调整台上，能够实现X、Y、Z以及前倾、侧倾的调整；分光镜和参考镜固定在一起，通过螺栓拧紧，防止相对位移造成测量误差。分光镜置于调节架上，调节架能够调节X、Y、Z向以及俯仰角与倾角等方向的调整。立体棱镜（角锥镜）固定于安装在浮筒3中央的浮子架上。

激光头发出的激光可以透过真空腔体5上盖位于声速测量U型管1上部的透光孔，入射到位于浮子3中央的角锥镜10上，并经过角锥镜10的反射，得到与入射光平行的反射光而被激光干涉仪4接收，从而实现浮子3随液位高度变化而变化的高度。

本发明中，温度测量系统主要由6支标准铂电阻温度计6、F18测温电桥7组成。6支标准铂电阻温度计6中有3支PT25的162D标准铂电阻温度计，另外3支为PT100的铂电阻温度计。其中的五支铂电阻温度计6通过导热块固定于液体压力计U型容器的4根测量管的不同高度上，一支安装在液体压力计压力测量高管的下部，并通过紫铜管与液体介质接触。六支铂电阻温度计6的安装位置如图。

这六支铂电阻温度计6通过安装在真空腔体5上的真空插头与keithley3499开关控制器22相连，由数据采集与处理系统控制3499开关通道的选取，对六支铂电阻温度计6得到的温度进行采集。采用Tinsley的5685A（100OHM）作为F18测温电桥7的标准电阻，F18测温电桥7的不确定度为0.1mk。

本发明中，气控系统16主要用于控制U型管两端（参考端和压力端）的压力。气控系统主要包括控制机柜、控制阀门管路、分子泵1610、机械泵、薄膜计和各种监视仪表组成。可以实现微小表压、差压和绝压的控制和测量。

图中，抽空端为系统的参考端，通过波纹管和真空腔体5上的KF25接口与U型容器系统的参考端相连，加压端为压力端，通过波纹管和真空腔体5上的KF25接口与U型容器系统的压力端相连。第六关断阀K6为连接参考端和压力端的旁通阀，参考端的真空由连接于参考端的分子泵1610保证，1torr的薄膜真空计和130kPa的数字压力计用于参考端压力的监视；压力端的传压介质为高纯氮气，其压力可以通过微调阀1607进行微调并通过10kPa数字差压计对压力端进行监测。系统采用Leybold的Trivac D60C或IWATA ISP500C的机械泵进行系统的抽空。

当进行绝压的测量时，首先开启参考端和压力端的第六关断阀K6并开启分子泵1610和机械泵对参考端和压力端同时进行抽空，然后关闭第六关断K6和第二针阀N2，开启第三球阀B5并通过微调阀1607向压力端加入所需要的压力，在进行绝压的测量时始终保持分子泵1610对参考端的抽空状态，气控系统16的在进行绝压测量时其参考端的压力通常在0.03Pa左右。

当进行差压的测量时，首先开启参考端和压力端的第六关断阀K6、第二针阀N2和第三球阀B5，之后通过微调阀1607向参考端加入所需要的参考压力，然后关闭第六关断阀K6和第二针阀N2，即可进行差压的测量。。

本发明还包括真空腔体5是一个由4个有径向加强筋的厚度为8mm的不锈钢圆筒叠落而成，腔体的直径为800mm，高度为1800mm。圆筒之间通过卡箍固定相连；圆筒的上盖板为厚度为36mm的铝板，盖板上有两个玻璃透光孔，用于声速测量时激光的透光窗；箱体的下部有一KF40法兰接口，与真空泵相连；一只电阻真空计通过KF16口连接于箱体下部，用于监视真空箱内的压力；一台抽速为8l/s的干泵1601和一台抽速为16l/s的油泵1602用于真空腔体5内真空度的保持，使腔体内的压力始终保持在10Pa以内。同时真空箱体上有6个CF25接口，其中两个用于与气控系统16的参考端和压力端相连，另外4个分成两组分别连接Ｕ型容器系统高度测量管和声速测量管的参考端和压力端，其中高度测量管和声速测量管高管（参考端）之间、高度测量管和声速测量管低管（压力端）之间均有一挡板阀，可以控制实现其自由开关。

本发明中数据采集及处理系统实现了超声声时和温度的自动采集。运行时，可自动切换3499A的开关控制器22，对6个铂电阻温度计6进行顺序测量，实时记录当前系统的温度。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的结构，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种声速实时标定的液体压力计，其特征在于：

所述液体压力计包括高度测量系统，声速测量系统、气控系统（16）、液控系统（17）以及数据采集和处理系统（8）；

所述高度测量系统和声速测量系统分别包括一组U形管：高度测量U形管（2）和声速测量U形管（1），两组U形管中均充入液体，且两组U形管内的液体是连通的；所述高度测量系统用于测量超声波在液体中的渡越时间并根据所述声速测量系统测得的声速计算得到液柱的高度；所述声速测量系统通过测量液位高度变化量以及液位高度变化时间量而得到实时的声速；

所述声速测量系统包括液位高度变化测量模块以及液位高度变化时间测量模块；

所述液位高度变化测量模块包括两套激光干涉仪（4），两套液位高度跟踪装置和两套光学镜组；所述光学镜组分别设置在所述液位高度跟踪装置内和光线路径中，所述液位高度跟踪装置悬浮设置在所述声速测量U形管（1）内的液体中而实现不同压力下液位高度的实时跟踪，所述激光干涉仪（4）和所述的光学镜组实现不同压力下液位高度变化量△L的测量；

所述液位高度变化时间测量模块包括两组超声晶片（15）和超声干涉仪（9）；所述两组超声晶片（15）分别设置在所述声速测量U形管（1）两臂的底端，所述超声干涉仪（9）与所述超声晶片（15）通过测量一定频率2MHz～10MHz的超声波在液体中的渡越时间而得到液位变化的时间变化量△T；

所述声速测量系统通过测量液位变化的时间变化量△T和由于压力变化导致的液位高度变化量△L，并通过所述数据采集和处理系统（8）而实时地得到超声波在液体介质中的声速C；

所述高度测量系统包括一组高度测量U形管（2）、两组超声晶片（15）和超声干涉仪（9）；所述两组超声晶片（15）分别设置在所述高度测量U形管（2）两臂的底端，所述超声干涉仪（9）与所述超声晶片（15）通过测量不同压力下超声波在液体中的渡越时间并通过所述数据采集和处理系统（8）依据所述声速测量系统测得的声速而计算得到不同压力所引起的液柱高度的变化从而得到最终压力值；

所述气控系统（16）用于控制所述各组U形管两端的压力；气控系统（16）包括控制机柜、控制阀门管路、泵组和一组监视仪表；所述泵组用于两组U形管中参考端的抽空以及气体压力的抽出；所述控制阀门管路连接着所述高度测量系统和所述声速测量系统的气路，实现它们之间的关断、连通以及压力大小的调节；所述控制机柜实现对所述控制阀门管路和所述泵组的控制；

所述液控系统（17）包括真空储油罐（1701），U形管间连接液路以及阀门，用于所述U形管内液体的注入以及U形管各臂之间的液路连接的通和断；

所述数据采集和处理系统（8）包括计算机以及开关控制器（22）；所述数据采集和处理系统（8）利用开关控制器（22）实现不同通道数据的读取，并根据所述声速测量系统输入的液位变化的时间变化量△T和液位高度变化量△L，得到超声波在液体介质中的声速C，后根据所述高度测量系统所测得的不同压力下超声波在液体中的渡越时间得到U形管内液柱的高度差，最终得到所测的压力。

2.根据权利要求1所述的一种声速实时标定的液体压力计，其特征在于：

所述液位高度跟踪装置置于所述的声速测量系统中的声速测量U形管（1）内的液体中，且其结构为浮子（3），包括浮筒（12）、角锥镜固定架（13）、浮耳组和导轨；所述浮耳组设置在浮筒（12）的上表面外侧，且一个浮耳内设置有导轨轴承，所述导轨穿过该所述浮耳内的轴承；所述角锥镜固定架（13）用于固定所述光学镜组（10，11）中的角锥镜（10）并被固定在所述浮筒（12）内的中心位置；所述浮子（3）悬浮在液体中，并随着液面的上下变化而自由的上下运动，且不会有水平位移。

3.根据权利要求1或2所述的一种声速实时标定的液体压力计，其特征在于：

所述高度测量系统和声速测量系统所包括的高度测量U形管（2）和声速测量U形管（1）各包括2根不锈钢管；所述两根不锈钢管呈高低错落布置；4根所述不锈钢管等长度；且所述声速测量U形管（1）和高度测量U形管（2）中高管和低管之间的高度差范围是200mm-800mm；

4根所述不锈钢管构成2组U型压力计，其中所述声速测量U形管（1）用于声速的测量，另一高度测量U形管（2）用于测量超声波在液体中的渡越时间，每组U形管的高低管之间以及两个U型管之间分别相连，并通过阀门控制各组U形管高低管之间的开关以及两组U形管之间的通断。

4.根据权利要求1或2所述的一种声速实时标定的液体压力计，其特征在于：

所述液位高度变化测量模块中，所述每套光学镜组（10，11）包括一个角锥镜（10）和一个复合镜（11），一个所述角锥镜（10）设置在所述浮子（3）内，所述复合镜（11）设置在光线路径上；

所述激光干涉仪（4）发出的激光通过所述复合镜（11）入射到位于浮子（3）中央的角锥镜（10）上，并经过角锥镜（10）的反射，得到与入射光平行的反射光，反射光再次通过复合镜（11）被激光干涉仪（4）接收，得到液位高度变化的数值。

5.根据权利要求1或2所述的一种声速实时标定的液体压力计，其特征在于：

4组所述超声晶片（15）分别设置在所述高度测量U形管（2）和声速测量U形管（1）两臂的底端，所述声速测量U形管（1）的超声晶片（15）产生的一定频率的超声波穿过液体介质，到达所述浮子（3）的下端面，浮子（3）的下端面作为超声信号的反射面，反射回来的带有液位高度变化信号的超声波信号被超声晶片（15）接收，从而得到由于液位变化而产生的声时的变化量△T。

6.根据权利要求1所述的一种声速实时标定的液体压力计，其特征在于：

所述液体压力计还包括温度测量系统，所述温度测量系统包括一组标准铂电阻温度计（6）和测温电桥（7）；各个所述标准铂电阻温度计（6）均匀固定在所述两组U形管外壁；所述测温电桥（7）与所述标准铂电阻温度计（6）测得各点的温度信号，同时与所述的数据采集与处理系统（8）连接，实现温度的采集和数据的处理。

7.根据权利要求1所述的一种声速实时标定的液体压力计，其特征在于：

所述液体压力计包括真空箱体（5），2组所述U形管设置在真空箱体（5）内，且真空箱体（5）内的真空度通过机械泵保持在小于10Pa的压力。

8.根据权利要求1或2所述的一种声速实时标定的液体压力计，其特征在于：

2组所述U形管的内壁和浮子（3）的外壁设置有特氟龙涂层。

9.采用如权利要求1-8所述的液体压力计的测量方法，其特征在于：

所述方法包括：A搭建液体压力计过程，B压力控制过程，C测量过程，D采集和处理数据过程；

所述A搭建液体压力计过程包括将高度测量系统，声速测量系统，气控系统（16），液控系统（17），温度测量系统以及数据采集和处理系统（8），真空箱体（5）通过线路及各种控制阀连接；

所述B压力控制过程包括对U形管两端进行压力控制，实现表压、差压和绝压的测量；

所述C测量过程包括，采用超声干涉法测量超声波在液体中的渡越时间；且进行声速的实时测量；所述声速的实时测量方法：采用激光干涉仪（4）和超声干涉仪（9）分别测量自由漂浮在液面上的浮子（3）所移动的距离以及移动此距离的声时的变化量而得到工作温度、压力等条件下的实时的声速；

具体测量过程包括开启各个测量设备，并对2组U形管中的2根低管加压，所述激光干涉仪（4）和所述超声干涉仪（9）通过所述浮子（3）的上下移动，使所述激光干涉仪（4）和所述超声干涉仪（9）得到浮子（3）在此温度和压力下的移动距离△L和时间△T，得到在此温度和压力下超声波的声速；

所述高度测量系统中的超声干涉仪（9）通过测量超声波在液体介质中的渡越时间T，并依据所述声速测量系统得到的声速，得到液柱的高度从而最终得到被测得压力。即通过高度测量系统和声速测量系统共同实现液柱高度的测量；

所述D采集和处理数据过程包括，所述数据采集和处理系统（8）利用开关控制器（22）根据需要读取各点的温度数值，同时采集声速测量系统和高度测量系统的测量数据以及各监视仪表的数值，对所有测量结果的计算以及完成必要的修正后得到被测压力值。

10.根据权利要求9所述的液体压力计测量方法，其特征在于：

所述U形管中的液体为癸二酸二异辛酯。

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