CN112484914B - 一种极小量程压力系统准静态气压校准装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种极小量程压力系统准静态气压校准装置及设计方法，公开了一种用于落锤/摆锤准静态校准系统的气体校准装置及设计方法，装置包括后端盖、缸体、直线轴承、前端盖、活塞；所述后端盖固定在缸体底部；所述缸体与端盖之间密封；所述缸体内开有腔室，腔室内填充有传压介质；所述前端盖固定在缸体前端；所述直线轴承置于所述缸体内，与活塞配合以减小摩擦阻力；所述缸体中间设有环形轴肩，用于支撑直线轴承；所述活塞后端位于缸体内，前端穿过直线轴承和前端盖；所述活塞底端环面套有轴密封圈，用于活塞与缸体之间的密封；所述传压介质为空气；方法通过摆锤的缸体内压力峰值以及落锤的缸体内压力峰值，分析易实现的降低压力方式；本发明可实现极小量程压力系统的准静态校准。

Description

一种极小量程压力系统准静态气压校准装置及设计方法

技术领域

本发明属于准静态气压校准装置领域，特别是一种极小量程压力系统准静态气压校准装置及设计方法。

背景技术

压电式压力传感器“电荷泄露”的特性决定了其从根本上不适用于静态校准，国外的厂家以及国内的计量院和计量单位通常使用落锤/摆锤式压力校准系统，通过准静态校准的方法校准传感器特性。所谓压力准静态校准其实是用半正弦型的压力脉冲对压力测量系统进行动态校准，然而压力脉冲的宽度必须足够宽，以保证其频谱的有效带宽完全处于被校准系统幅频特性的平直段内。压力准静态校准系统能够实现压力测量系统及传感器组件的灵敏度、线性度、重复性等参数的校准，该校准系统适用于国内外常用的冲击波压力传感器，如：PCB、Kistler及国产动态压力传感器，并符合动态压力传感器检定规程(JJG 624-2005)要求。

对于落/摆锤准静压校准系统，南京理工大学已经有了多年的研究与积累(孔德仁《塑性测压器材准动态校准技术及实验研究》)，目前常见的用于准静态校准用的落锤压力校准系统产生半正弦压力峰值最低有效压力为10MPa，摆锤压力校准系统产生半正弦压力峰值最低有效压力低于落锤，约为1MPa左右(一种便携式手动操作摆锤压力发生器，申请号：CN201611261754.8)，缺乏满足极小量程压力的传感器系统校准的手段(低于1MPa高于0.01MPa)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极小量程压力系统准静态气压校准装置及设计方法，来代替传统的造压油缸，通过该气体校准装置可产生完整的低于1MPa的半正弦压力激励，从而实现极小量程压力系统的准静态校准。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种极小量程压力系统准静态气压校准装置设计方法，包括以下步骤：

步骤1、构建摆锤的整个碰撞过程的运动方程、协调方程和物理方程；

步骤2、求解摆锤的缸体内压力峰值p_m的函数表达式；

步骤3、求解落锤的缸体内压力峰值p_m′的函数表达式；

步骤4、由摆锤的缸体内压力峰值以及落锤的缸体内压力峰值，分析易实现的降低压力方式。

一种用于落锤/摆锤准静态校准系统的气体校准装置，包括后端盖、缸体、直线轴承、前端盖、活塞；

所述后端盖固定在缸体底部；所述缸体与端盖之间密封；所述缸体内开有腔室，腔室内填充有传压介质；所述前端盖固定在缸体前端；所述直线轴承置于所述缸体内，与活塞配合以减小摩擦阻力；所述缸体中间设有环形轴肩，用于支撑直线轴承；所述活塞后端位于缸体内，前端穿过直线轴承和前端盖；所述活塞底端环面套有轴密封圈，用于活塞与缸体之间的密封；所述传压介质为空气。

一种气体校准装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1、将直线轴承由缸体前端置入缸体，将前端盖与缸体固定；

步骤2、将轴密封圈按入活塞的密封槽内，将活塞的活塞面朝外，由缸体后端插入，至活塞杆由前端伸出；

步骤3、将端盖密封圈按入缸体后端的密封槽内；

步骤4、将标准传感器、被校传感器或者堵头安装在后端盖上，将后端盖与缸体固定；

步骤5、启动落/摆锤准静态压力校准装置，使重锤具有一定的高度/角度，释放重锤敲击活塞，活塞向下运动挤压空气产生压力，由标准传感器与被校传感器感知，经由二次仪表收集并记录信号；

步骤6、调整重锤高度/角度多次试验，完成准静态校准流程。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明解决极小量程压力传感器系统的校准问题，对现有摆/落锤准静态校准系统的压力激励产生方式展开研究，拓展落/摆锤的校准压力量程段(低于1MPa高于0.01MPa)。可以模拟实际试验场所传感器表面感受的介质状态，与传统的油介质相比，其校准获得的特性指标更加精准。

附图说明

图1为摆锤式准静态校准装置结构示意图。

图2摆锤式准静态校准装置简化示意图。

图3为准静态校准系统气压校准装置剖视图。

图4为准静态校准系统气压校准装置俯视图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

实施例1

结合图1、图2，摆锤压力校准系统中，将气压校准装置40设置在底座50上，摆锤压力校准系统的驱动单元10驱动摆杆20动摆锤30动。为了对摆锤自由下摆打击缸体精密活塞杆这一过程进行理论分析，将摆锤装置简化为如图2所示的机械结构，将摆锤装置等效成如图2所示的单自由度弹簧质量系统动力学模型，可用无阻尼的自由振动方程来描述其运动规律，以对气体校准装置进行设计，具体包括以下步骤：

步骤1、构建摆锤的整个碰撞过程的运动方程、协调方程和物理方程(忽略重力影响)：

建立运动方程：

建立协调方程：

建立物理方程：

式中，p为缸体内压力，J为摆锤的转动惯量，

为摆锤的角位移，S为活塞有效面积，L为摆杆的长度，ΔV为缸体的容积变化量，V₀为缸体的初始容积，

为关于

的函数表达形式。

采用流体压缩的拟线性模型：

式中：α为传压介质弹性模量压力系数，E₀为传压介质的初始体积弹性模量，p_m为压力峰值。

步骤2、求解摆锤的缸体内压力峰值p_m的函数表达式。

初始条件为：

其中，

为摆锤初始角位移，

为摆锤初始角速度，其大小为ω₀。

摆锤的初始角速度ω₀由摆锤的初始提升角度θ₀决定，摆锤初始自提升角度θ₀的自由摆动方程为：

式中，L_m为摆锤质心到转动中心的距离，m为摆锤的质量，θ为当前的提升角度，g为重力加速度。对式(6)积分一次，即可得到摆锤的初始角速度：

将式(4)代入(1)，整理后可得：

由(8)式可知这是一个单自由度二阶系统，系统的固有角频率为：

则缸体内的压力峰值p_m为：

步骤3、求解落锤的缸体内压力峰值p_m′的函数表达式：

在对重锤撞击缸体这一过程进行理论分析时，可将落锤液压校准装置等效成单自由度弹簧质量系统动力学模型，可用无阻尼的自由振动方程来描述其运动规律：

步骤4、由摆锤的缸体内压力峰值以及落锤的缸体内压力峰值，分析易实现的降低压力方式：

由式(10)及式(11)可知，压力峰值与初始容积呈负相关，与落锤系统的重锤质量、重锤落高以及传压介质的体积弹性模量(摆锤系统的初始角速度、传压介质的体积弹性模量)呈正相关，由于落/摆锤系统的规模大小基本固定(需要兼顾其他量程段的校准试验)，所以缸体的初始容积，重锤质量、重锤落高、初始角速度不会发生过大改变，对此，需从传压介质考虑，通过减小传压介质的体积弹性模量，以达到降低压力峰值的目的。

现有油缸内的传压介质一般选用蓖麻油、癸二酸二异辛酯或是乙二醇丙三醇混合液体，对比这三类传压介质，其常温下体积弹性模量为

为减小缸内压力，可采用空气作为传压介质，当重锤落高h或摆锤初始角速度ω₀很小时，决定压力峰值的主要为

项，使用空气比使用油介质压力峰值可低2个数量级，由于使用蓖麻油的摆/落锤的最小有效压力峰值为1MPa，理论上使用空气的气体校准装置的最小有效压力峰值可达到0.01MPa。

气体校准装置的优势在于1)体积模量远小于传统油介质；2)与传统油压相比，空气介质更符合实际压力测试过程中传感器接触介质(特别是冲击波压力测试)。为此，在原有造压油缸的原理上，设计了一款用于落/摆锤准静态校准系统的气体校准装置，缸体的初始容积，活塞面积均可通过选定压力量程，结合式(10)和式(11)理论计算获得。由于采用空气介质，即使压力极低，也应考虑装置的密封性问题；同时为了使传压效率更高，避免传压管道一致性问题，传感器的安装孔位置设置在压力传递的正对向为宜。

实施例2

结合图3，本实施例中的一种用于落锤/摆锤准静态校准系统的气体校准装置，包括后端盖3、缸体5、直线轴承6、前端盖7、活塞8；

所述后端盖3通过螺钉固定在缸体5底部；所述缸体5底部开槽，置入所述端盖密封圈2，用于缸体5与所述后端盖3的密封；所述缸体5内开有腔室51，腔室内填充有传压介质；所述前端盖7通过螺钉固定在缸体5前端；所述直线轴承6置于所述缸体5内，与所述活塞8配合以减小摩擦阻力；所述缸体5中间设有环形轴肩，用于支撑直线轴承6，前端盖7对直线轴承6进行轴向定位；所述活塞8后端位于缸体5内，前端穿过直线轴承6和前端盖7；所述活塞8底端环面套有轴密封圈4，用于活塞8与缸体5之间的密封；特别的传压介质为标准空气。

结合图4，所述活塞8挤压腔室51内空气产生压力，所述后端盖3开有4个螺纹孔1，用于安装压力传感器(包括标准压力传感器41和被校准压力传感器42)，且螺纹孔1正对储气室51，安装传感器后传感器直接接触标准空气，检测空气介质压力；上述密封圈均须涂抹硅脂。

实施例3

上述气体校准装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1、将直线轴承6由缸体5前端置入缸体5，通过内六角螺钉9将前端盖7与缸体5固定；

步骤2、将轴密封圈4按入活塞8的密封槽内，涂抹硅脂等加强密封性。待安装完成后，将活塞8的活塞面朝外，由缸体5后端插入，至活塞杆由前端伸出一定高度，具体高度根据实际试验波形进行调节；

步骤3、将端盖密封圈2按入缸体5后端的密封槽内，涂抹硅脂等加强密封性；

步骤4、将标准传感器、被校传感器或者堵头安装在后端盖3上，安装完成后，将后端盖3通过内六角螺钉9与缸体5固定；

步骤5、启动落/摆锤准静态压力校准装置，使重锤具有一定的高度/角度，释放重锤敲击活塞8，活塞8向下运动挤压空气产生压力，由标准传感器与被校传感器感知，经由二次仪表收集并记录信号；

步骤6、调整重锤高度/角度多次试验，完成准静态校准流程。

Claims (5)

1.一种极小量程压力系统准静态气压校准装置设计方法，其特征在于，

所述校准装置包括后端盖、缸体、直线轴承、前端盖、活塞；

所述后端盖固定在缸体底部；所述缸体与后端盖之间密封；所述缸体内开有腔室，腔室内填充有传压介质；所述前端盖固定在缸体前端；所述直线轴承置于所述缸体内，与活塞配合以减小摩擦阻力；所述缸体中间设有环形轴肩，用于支撑直线轴承；所述活塞后端位于缸体内，前端穿过直线轴承和前端盖；所述活塞底端环面套有轴密封圈，用于活塞与缸体之间的密封；所述传压介质为空气；所述后端盖上设有多个螺纹孔，螺纹孔上设有标准压力传感器和被校准压力传感器；所述缸体底部开槽，置入端盖密封圈，用于缸体与所述后端盖的密封；

其设计方法包括以下步骤：

步骤1、构建摆锤的整个碰撞过程的运动方程、协调方程和物理方程；

步骤2、求解摆锤的缸体内压力峰值p_m的函数表达式；

步骤3、求解落锤的缸体内压力峰值p_m′的函数表达式；

步骤4、由摆锤的缸体内压力峰值以及落锤的缸体内压力峰值，分析易实现的降低压力方式。

2.根据权利要求1所述的极小量程压力系统准静态气压校准装置设计方法，其特征在于，步骤1构建摆锤的整个碰撞过程的运动方程、协调方程和物理方程分别为：

建立运动方程：

建立协调方程：

建立物理方程：

式中，p为缸体内压力，J为摆锤的转动惯量，

为摆锤的角位移，S为活塞有效面积，L为摆杆的长度，ΔV为缸体的容积变化量，V₀为缸体的初始容积，

为关于

的函数表达形式。

3.根据权利要求1所述的极小量程压力系统准静态气压校准装置设计方法，其特征在于，步骤2求解摆锤的缸体内压力峰值p_m的函数表达式为：

其中α为传压介质弹性模量压力系数，E₀为传压介质的初始体积弹性模量，ω₀为摆锤初始角速度，J为摆锤的转动惯量，V₀为缸体的初始容积。

4.根据权利要求1所述的极小量程压力系统准静态气压校准装置设计方法，其特征在于，步骤3求解落锤的缸体内压力峰值p_m′的函数表达式为：

其中α为传压介质弹性模量压力系数，m为落锤的质量，g为重力加速度，E₀为传压介质的初始体积弹性模量，V₀为缸体的初始容积，h为重锤落高。

5.根据权利要求1所述的极小量程压力系统准静态气压校准装置设计方法得到的校准装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将直线轴承由缸体前端置入缸体，将前端盖与缸体固定；

步骤2、将轴密封圈按入活塞的密封槽内，将活塞的活塞面朝外，由缸体后端插入，至活塞杆由前端伸出；

步骤3、将端盖密封圈按入缸体后端的密封槽内；

步骤4、将标准传感器、被校传感器、堵头安装在后端盖上，将后端盖与缸体固定；

步骤5、启动落锤准静态压力校准装置使重锤具有一定的高度，或者启动摆锤准静态压力校准装置，使重锤具有一定的角度，释放重锤敲击活塞，活塞向下运动挤压空气产生压力，由标准传感器与被校传感器感知，经由二次仪表收集并记录信号；

步骤6、调整重锤高度/角度多次试验，完成准静态校准流程。

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