CN105973530B - 一种用于超高压活塞压力计的测量比对方法及装置 - Google Patents

一种用于超高压活塞压力计的测量比对方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超高压计量、校准和溯源，属于检测领域。一种用于超高压活塞压力计的测量比对方法，其特征在于：包括待测的超高压活塞压力计和标准超高压活塞压力计，所述待测的超高压活塞压力计和标准超高压活塞压力计各自都连接有锰铜压力计和切断阀，其中连接待测的超高压活塞压力计的锰铜压力计和另一个连接标准超高压活塞压力计的锰铜压力计相连，通过连接的两个锰铜压力计和两个切断阀辅助使两者超高压活塞压力计达到压力平衡，测量两个锰铜压力计在平衡过程中的差压变化来比对两者超高压活塞压力计的微小压力差。本发明实现了高压压力下的压差测量，从而实现超高压同常压国家基准所复现的量值之间的统一，保证了在超高压状态下的精密压力测量。

Description

一种用于超高压活塞压力计的测量比对方法及装置
技术领域
本发明涉及超高压计量、校准和溯源，尤其涉及一种用于超高压活塞压力计的测量比对方法及装置。
背景技术
随着中国经济、科技和国防的腾飞，各种超高压设备相机而生。例如在高速铁路和地铁机车的变速箱联轴节必须用超高压进行润滑油密封试验，在军事上测量炮膛压力、火箭燃料压力测试，采用超高压进行新材料研究和超高压等静压加工工艺，汽车柴油发动机的高压燃料喷射压力测试，提高能效和减少排放污染，这种新型发动机的能耗降低了40％，排放的CO2和其他有害物比汽油发动机降低了30％，超高压食品杀菌处理可以不添加任何防腐剂进行食品的长期保存，还有新工艺装备水切割机的压力监测等。这些产业都被列入国家中长期发展规划的内容，为我国超高压国家重大技术专项提供重要的技术支撑。正是由于超高压技术在这些属于国家战略性新兴产业发展中的应用，对超高压计量仪器性能等技术基础条件提出了更高的要求，迫切需要完善和健全超高压传递系统来保证这些计量器具的量值溯源。
从我国的超高压量值传递现状来看，最高层面的计量标准器具主要由活塞压力计和0.1级的锰铜电阻压力计组成。0.1级锰铜电阻压力计主要由我院和美国HARWOOD公司生产，其传递方法和装置已相当成熟完善。而超高压活塞式压力计的传递仅进行了几次摸索性的试验，无论是测量的装置还是测量方法都有待于进一步的提高和完善。应该说超高压活塞式压力计是一种最稳定可靠的超高压计量标准，原先国内有少量几台这种设备，用作计量标准的只有兵器部204所一家，而目前的情况是国外的HARWOOD、DH、FLUKE等公司，国内也有上海敏榆、天津实验工厂等多家厂商生产超高压活塞式压力计，且多家计量机构和超高压仪器厂家购买了测量上限为(500～1000)MPa的超高压活塞式压力计。超高压活塞压力计有两种类型，即自由形变式和可控间隙式，自由形变式的压力计可以向常压国家基准进行有效面积的传递，但无法准确地对其形变系数和压力量值进行的直接传递或验证。可控间隙的压力计没有传递装置和传递方法也无法进行量值传递，目前只能像国家基准一样向其他基本物理量进行溯源。从另外一个方面来讲，超高压国家基准只有与活塞式压力计比对，才能对其量值复现状况进行评估和保存，通过这种比对还可以和常压国家基准的量值保持统一。
而现在的情况是，在500MPa压力以下，主要以自由形变活塞进行比对为主，主要传递方式采用低压活塞传递有效面积，另一个重要参数——形变系数一般通过弹性力学计算获得，是厂家提供的形变系数和实际测量结果有较大的出入，但无法得到有效的验证。在500MPa压力以上时，现在主要以可控间隙活塞式压力计为主。目前的传递基本都是采用参数测定和活塞直径测量的方法进行，用这种方法的最大问题就是测定的参数以及复现量值无法进行验证和评估，也不符合量值传递系统的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于超高压活塞压力计的测量比对方法及装置，解决现在超高压活塞压力计无法进行有效的验证和评估，从而无法进行超高压活塞压力计的校准的缺陷。
技术方案
一种用于超高压活塞压力计的测量比对方法，其特征在于：包括待测的超高压活塞压力计和标准超高压活塞压力计，所述待测的超高压活塞压力计和标准超高压活塞压力计各自都连接有锰铜压力计和切断阀，其中连接待测的超高压活塞压力计的锰铜压力计和另一个连接标准超高压活塞压力计的锰铜压力计相连，通过连接的两个锰铜压力计和两个切断阀辅助使两者超高压活塞压力计达到压力平衡，两个锰铜压力计的测压芯体与两个桥臂电阻连接构成惠斯顿电桥形式，测量两个锰铜压力计在平衡过程中的差压变化来比对两者超高压活塞压力计的微小压力差。
进一步，所述通过连接的两个锰铜压力计和两个切断阀辅助使两者超高压活塞压力计达到压力平衡的方法包括压力准备步骤,通过关闭一个切断阀,两个活塞均加压到相同的名义压力值；然后关闭连接待测的超高压活塞压力计的切断阀,打开连接标准超高压活塞压力计的切断阀,使标准超高压活塞压力计的标准活塞保持压力平衡,此时两个锰铜压力计为零压差状态；最后关闭连接标准超高压活塞压力计的切断阀,打开连接待测的超高压活塞压力计的切断阀,分别调节两台压力计的活塞的加压系统使两台活塞处于平衡,读取此时两个锰铜压力计的电势差,计算出两台压力计的微小压力差。
进一步，两个锰铜压力计之间采用液液隔离器相连。
一种应用上述的用于超高压活塞压力计的测量比对方法的装置，其特征在于：包括一体集成式超高压壳体,壳体外分别连接标准超高压活塞压力计的标准活塞,第一锰铜压力计,第一切断阀,待测的超高压活塞压力计的待测活塞,第二锰铜压力计和第二切断阀,所述壳体内设置有液体流通道,连接标准活塞和待测活塞；标准活塞与第一锰铜压力计之间连通,第一锰铜压力计与第二锰铜压力计之间的液体流通道中间连接第一切断阀,由第一切断阀连通或关闭液体流通道,第二锰铜压力计与待测活塞之间的液体流通道中间连接第二切断阀,由第二切断阀连通或关闭。
进一步，所述第一锰铜压力计和第二锰铜压力计的测压芯体和两个桥臂电阻连接成惠斯顿电桥形式,且第一锰铜压力计和第二锰铜压力计的测压芯体以及两个桥臂电阻为配对电阻,零压力下四个阻值相同,两个桥臂电阻之间连接输入电压,第一锰铜压力计和第二锰铜压力计的测压芯体之间连接差压输出。
所述两个桥臂电阻采用和测压芯体相同的锰铜丝绕制,安装在锰铜压力计内。
所述两个桥臂电阻之间通过调零电位器连接输入电压。
进一步，所述切断阀采用液控切断阀。
有益效果
本发明的用于超高压活塞压力计的测量比对方法和装置采用将待测超高压活塞式压力计和标准活塞式压力计分别连接锰铜压力计，再利用锰铜压力计辅助压力平衡，测量差压从而对超高压状态下的活塞进行比对，解决了在高于100MPa压力后基本没有合适的差压压力计来间接比较测量压力的现状，实现了高压压力下的压差测量，从而实现超高压同常压国家基准所复现的量值之间的统一，以及能够实现与其它国际上最高等级超高压活塞式压力计之间的比对研究；而且本发明的装置通过一体集成式超高压壳体和惠斯顿电桥原理，还消除了温度对测量压力结果的影响，保证了在超高压状态下的精密压力测量。
附图说明
图1为本发明的方法的原理连接示意图。
图2为本发明的装置的壳体的剖面示意图。
图3为本发明的电路连接示意图。
其中：1-标准超高压活塞压力计连接口，2-第一锰铜压力计，3-第一切断阀，4-待测超高压活塞压力计连接口，5-第二锰铜压力计，6-第二切断阀，7-标准超高压活塞压力计，8-待测超高压活塞压力计，9-液液隔离器。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
在低压力下，两个压力之间采用间接比较法进行压力测量时，通常在两个压力之间连接一个高灵敏度、稳定性好的差压压力计，通过差压压力计来测量两个压力之间差值，但是在高于100MPa压力后，基本没有合适的差压压力计能够实现这种比较测量。本发明提出一种采用差压锰铜压力计辅助平衡的方式来间接测量比对两台超高压活塞压力计之间的微小压力差的用于超高压活塞压力计的测量比对方法和装置。
一种用于超高压活塞压力计的测量比对方法，包括待测的超高压活塞压力计和标准超高压活塞压力计，所述待测的超高压活塞压力计和标准超高压活塞压力计各自都连接有锰铜压力计和切断阀，其中连接待测的超高压活塞压力计的锰铜压力计和另一个连接标准超高压活塞压力计的锰铜压力计相连，通过连接的两个锰铜压力计和两个切断阀辅助使两者超高压活塞压力计达到压力平衡，测量两个锰铜压力计在平衡过程中的差压变化来比对两者超高压活塞压力计的微小压力差。如附图1所示的方法原理连接示意。
达到压力平衡的方法包括压力准备步骤,通过关闭一个切断阀,两个活塞均加压到相同的名义压力值；然后关闭连接待测的超高压活塞压力计的切断阀,打开连接标准超高压活塞压力计的切断阀,使标准超高压活塞压力计的标准活塞保持压力平衡,此时两个锰铜压力计为零压差状态；最后关闭连接标准超高压活塞压力计的切断阀,打开连接待测的超高压活塞压力计的切断阀,分别调节两台压力计的活塞的加压系统使两台活塞处于平衡,读取此时两个锰铜压力计的电阻差,计算出两台压力计的微小压力差。两个锰铜压力计之间可以采用液液隔离器相连。
采用上述方法可以制作出测量比对的装置，如附图2中示意的壳体，是连接两台锰铜压力计和两只液控切断阀组成的超高压集成块，其连接管道即液体流通道分别连接标准超高压活塞压力计A和待测超高压活塞压力计B，两只锰铜压力计在零压力下的电阻值分别为RA0和RB0。将RA0、RB0分别与R1、R2配对，连接成如附图3所示的惠斯顿电桥形式。
利用该装置进行超高压活塞式压力计的比较测量过程如下：
①关闭液控切断阀B(第二切断阀)，打开液控切断阀A(第一切断阀)；
②分别将标准超高压活塞式压力计A和待测超高压活塞式压力计B加压至名义压力P，锰铜电阻在受到压力作用后，其阻值随所受压力的增加而增大，此时锰铜压力计A(第一锰铜压力计)和锰铜压力计B(第二锰铜压力计)的电阻值分别为RA和RB，都对应于标准活塞式压力计A的名义压力P，即测量压力PA，调平电桥使输出电压值为0；
③关闭液控切断阀A，打开液控切断阀B；
④标准活塞式压力计A仍维持原来的压力PA，待测活塞式压力计B维持原来的名义压力P，即测量压力PB，此时锰铜压力计A电阻值仍为RA，仍对应测量压力PA，锰铜压力计B的电阻值为RB′，对应测量压力PB，此时电桥产生的不平衡输出电压值即为标准超高压活塞式压力计A与待测超高压活塞式压力计B的压力差值。
附图3所示意的惠斯顿电桥中，RA、RB为锰铜压力计的测压芯体，其电阻性能已进行配对。R1、R2为桥臂电阻，采用和测压芯体相同的锰铜丝绕制，电阻相同，并分别安装在连接的锰铜压力计壳体内，使其和测压芯体处于同一温场，从而能够克服测量温度漂移带来的影响。W1为调零电位器，激励电源通过精密电压基准转换为10V±5ppm给电桥供电。采用纳伏表测量桥路不平衡时的电压输出值。使用前，对每个锰铜测压芯体进行标定，分别获得压阻曲线。实际使用时就可以根据事先标定数据曲线，通过计算将纳伏信号直接转换成压差读数。
压差为：
在制作锰铜压力计的测压芯体时，将两个测压芯体RA、RB和桥臂电阻R1、R2进行了配对，使零压力下测压芯体RA的阻值RA0、测压芯体RB的阻值RB0、以及桥臂电阻R1、R2都相等，形成等臂电桥，即RA0＝RB0＝R1＝R2＝R。在不同的测量压力下，实际测量时RA＝RA0+ΔRA，RB＝RB0+ΔRB。在活塞压力计比对的情况下，R远远大于ΔRA、ΔRB，可以简化公式为
对于某一测量压力点，在上述测量过程中，处于状态②和④时，根据简化后的公式，其桥路输出的电压值分别为锰铜测压芯体的压阻系数为k，则标准活塞式压力计A与待测活塞式压力计B在名义压力P下的压差为：
当腔体内压力变化引起温度变化时ΔRA＝ΔRA+ΔRAt、ΔRB＝ΔRB+ΔRBt。由于测压芯体被安装在同一腔体内，温场基本相同电阻值也十分接近，故ΔRAt＝ΔRBt，根据公式(2)，由温度变化引起的输出值变化正好被抵消，消除了温度漂移影响。
公式(5)中压阻系数k等于2.4×10-5Ω/Ω/MPa，I为桥路电流，通常不超过10mA。在相同的压差情况下获得更大的输出电压信号ΔV，需要调整等臂桥路电阻R和桥路电流I，为了桥路不产生大的热量，需尽量降低桥路的电流，在此前提下，需要选择更大的测压芯体初始电阻值R。我们选用1000Ω的测压芯体，桥臂电阻也选用1000Ω锰铜线绕电阻，桥臂电流控制到5mA，精密电压基准E＝10V。当差压为0.05MPa时，输出电压大约为3μV，一般6位半的数表100mV档的测量准确度约为5μV，我们采用八位半的数字多用表进行测量，该数表在200mV档的测量准确度高，对于我们的微小电压信号测量准确度可达到0.2μV。
通过本发明的装置连接两台可控间隙活塞式压力计，两台压力计的测量范围分别为(30～1500)MPa和(20～1000)MPa，按照上述测量过程在5个名义测量压力点进行比对测量，分别为200MPa、400MPa、600MPa、800MPa、1000MPa，其测量结果如表1所示：
表1
本发明的用于超高压活塞压力计的测量比对方法和装置采用将待测超高压活塞式压力计和标准活塞式压力计分别连接锰铜压力计，再利用锰铜压力计辅助压力平衡，测量差压从而对超高压状态下的活塞进行比对，解决了在高于100MPa压力后基本没有合适的差压压力计来间接比较测量压力的现状，实现了高压压力下的压差测量，从而实现超高压同常压国家基准所复现的量值之间的统一，以及能够实现与其它国际上最高等级超高压活塞式压力计之间的比对研究；而且本发明的装置通过一体集成式超高压壳体和惠斯顿电桥原理，还消除了测量中温度漂移对测量压力结果的影响，保证了在超高压状态下的精密压力测量，而且采用本装置，还可以不需要液液隔离器也不会出现混液的现象。

Claims (8)

1.一种用于超高压活塞压力计的测量比对方法，其特征在于：包括待测的超高压活塞压力计和标准超高压活塞压力计，所述待测的超高压活塞压力计和标准超高压活塞压力计各自都连接有锰铜压力计和切断阀，其中连接待测的超高压活塞压力计的锰铜压力计和另一个连接标准超高压活塞压力计的锰铜压力计相连，通过连接的两个锰铜压力计和两个切断阀辅助使两者超高压活塞压力计达到压力平衡，两个锰铜压力计的测压芯体与两个桥臂电阻连接构成惠斯顿电桥形式，测量两个锰铜压力计在平衡过程中的差压变化来比对两者超高压活塞压力计的微小压力差。
2.如权利要求1所述的用于超高压活塞压力计的测量比对方法，其特征在于：所述通过连接的两个锰铜压力计和两个切断阀辅助使两者超高压活塞压力计达到压力平衡的方法包括压力准备步骤,通过关闭一个切断阀,打开另一个切断阀,两个活塞均加压到相同的名义压力值；然后关闭连接待测的超高压活塞压力计的切断阀,打开连接标准超高压活塞压力计的切断阀,使标准超高压活塞压力计的标准活塞保持压力平衡,此时两个锰铜压力计为零压差状态；最后关闭连接标准超高压活塞压力计的切断阀,打开连接待测的超高压活塞压力计的切断阀,分别调节两台压力计的活塞的加压系统使两台活塞处于平衡,读取此时两个锰铜压力计的电势差,计算出两台压力计的微小压力差。
3.如权利要求1或2所述的用于超高压活塞压力计的测量比对方法，其特征在于：两个锰铜压力计之间采用液液隔离器相连。
4.一种应用如权利要求1所述的用于超高压活塞压力计的测量比对方法的装置，其特征在于：包括一体集成式超高压壳体,壳体外分别连接标准超高压活塞压力计的标准活塞,第一锰铜压力计,第一切断阀,待测的超高压活塞压力计的待测活塞,第二锰铜压力计和第二切断阀,所述壳体内设置有液体流通道,连接标准活塞和待测活塞；标准活塞与第一锰铜压力计之间连通,第一锰铜压力计与第二锰铜压力计之间的液体流通道中间连接第一切断阀,由第一切断阀连通或关闭液体流通道,第二锰铜压力计与待测活塞之间的液体流通道中间连接第二切断阀,由第二切断阀连通或关闭。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述第一锰铜压力计和第二锰铜压力计的测压芯体和两个桥臂电阻连接成惠斯顿电桥形式,且第一锰铜压力计和第二锰铜压力计的测压芯体以及两个桥臂电阻为配对电阻,零压力下四个阻值相同,两个桥臂电阻之间连接输入电压,第一锰铜压力计和第二锰铜压力计的测压芯体之间连接差压输出。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述两个桥臂电阻采用和测压芯体相同的锰铜丝绕制,安装在锰铜压力计内。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述两个桥臂电阻之间通过调零电位器连接输入电压。
8.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述切断阀采用液控切断阀。
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