卓　華　李海兵

(新疆計量院熱工所，烏魯木齊 830011)

0　引言

補償式微壓計主要用于非腐蝕性氣體微小壓力量值的傳遞、校準和測試，它可測量微小氣體的正壓、負壓和差壓。補償式微壓計基于U型壓力計的測壓原理，在壓力作用下形成液柱高度差，通過容器的位移變化使液面重新達到液位平衡位置。被測壓力p可根據(jù)下式得到：

(1)

式中：h為儀器示值讀數(shù)，mm；ρ為檢測溫度下液體介質(zhì)的密度,kg/m3；ρ′為檢測環(huán)境下空氣密度,kg/m3；g為檢測地點重力加速度,m/s2。

1　補償式微壓計

圖1為補償式微壓計的結(jié)構(gòu)示意圖。補償式微壓計一般包括以下幾個部分：微調(diào)部分、水準觀測部分、反射鏡部分及外殼部分。

圖1　補償式微壓計結(jié)構(gòu)圖

微調(diào)部分包括長螺桿104、固定在長螺桿104上的旋轉(zhuǎn)標尺101、以及由長螺桿104帶動作上升或下降運動的大容器106。大容器106設(shè)有負壓接咀105，在負壓接咀105上裝有示度準塊(圖中未示出)，示度準塊在垂直標尺103及度板114中間移動，從而指示出大容器106的位移高度。

水準觀測部分，包括觀測筒115，在觀測筒115內(nèi)裝有讀數(shù)尖頭112，用于觀測由動壓管110受壓力后觀測筒115內(nèi)液面的變化。

反射鏡部分，包括反射鏡(圖中未示出)，反射鏡面反射觀測筒115內(nèi)的讀數(shù)尖頭112的頭尖與液面的圖像，讀數(shù)尖頭112的頭尖與其倒影的影尖相接表示補償式微壓計讀數(shù)調(diào)整到其“零點”液位。

外殼部分，包括用來支持長螺桿104的殼體102，殼體102上裝有水準泡108及調(diào)節(jié)螺釘113，用來調(diào)節(jié)微壓計的長螺桿104及動壓管110的垂直。

其中，大容器106與觀測筒115用連接膠管107相連，當大容器106向上移動后，大容器106與觀測筒115之間的液面產(chǎn)生差值，在外加壓力源向觀測筒115內(nèi)加壓后，液面重新達到平衡。補償式微壓計具有較高的準確度以及較好的長期穩(wěn)定性，非常適合于用在微壓段壓力量值的傳遞基標準。

2　基于補償式微壓計的壓力測量系統(tǒng)的研究

2.1　傳統(tǒng)的補償式微壓計

現(xiàn)有的補償式微壓計在確定“零點”液位時，用肉眼觀測觀測筒115內(nèi)讀數(shù)尖頭112的頭尖與其液面上虛像的影尖“相接”，人為誤差較大，很難確保其準確性。此外，由前述式(1)可知，被測壓力p是根據(jù)空氣密度ρ′以及液體介質(zhì)的密度ρ計算得出，由于介質(zhì)密度受溫度影響很大，補償式微壓計對溫度變化特別敏感。同時大氣壓以及濕度變化對空氣密度ρ′也有一定的影響。如果在測試時不考慮溫度、氣壓、濕度的影響，測試結(jié)果誤差較大。

2.2　基于補償式微壓計的壓力測量系統(tǒng)的構(gòu)成

為了實現(xiàn)上述目的，本文提供了一種基于補償式微壓計的壓力測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)包括補償式微壓計、圖像采集裝置、圖像處理裝置和顯示裝置。

如圖3所示，圖像采集裝置是工業(yè)攝像機或數(shù)碼攝像頭。所述壓力圖像采集裝置可以設(shè)置在補償式微壓計的反射鏡處，采集來自反射鏡的反射圖像。圖像采集裝置可以是工業(yè)攝像機，也可以是數(shù)碼攝像頭。圖像處理裝置將該反射圖像進行放大處理后，顯示在顯示裝置上。顯示裝置可以為液晶顯示屏或LED顯示屏。工業(yè)攝像機可以實時采集來自反射鏡的讀數(shù)尖頭112與觀測筒115內(nèi)液面的反射圖像，反射圖像經(jīng)放大處理后，顯示在顯示屏上。在需要對補償式微壓計進行液位調(diào)零時，在顯示屏上對經(jīng)過放大的反射圖像進行肉眼觀測，判斷讀數(shù)尖頭112的頭尖與液面上的虛像的影尖是否相接，從而確定是否處于零點液位。通過該操作，可以使得零點液位僅有毫米量級的誤差，這與現(xiàn)有技術(shù)中全靠人眼辨別相比，準確性大大提高。

圖3測量系統(tǒng)的主要組成部分

壓力測量系統(tǒng)還包括環(huán)境信息采集裝置，如圖4所示。環(huán)境信息采集裝置包括測量工作環(huán)境溫度的第一溫度傳感器、第二溫度傳感器，測量工作環(huán)境濕度的濕度傳感器以及測量工作環(huán)境大氣壓的氣壓傳感器。第一溫度傳感器可以設(shè)置在觀測筒115處，用于測量觀測筒115內(nèi)液體溫度。第二溫度傳感器可以設(shè)置在大容器106處，用于測量大容器106內(nèi)液體溫度。

圖4　測量系統(tǒng)的環(huán)境采集裝置

壓力測量系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)處理裝置，根據(jù)環(huán)境信息采集裝置的工作環(huán)境信息以及補償式微壓計的測量讀數(shù)計算壓力測量值。數(shù)據(jù)處理裝置可以由計算機來提供，也可以是單片機?？梢栽陲@示裝置上顯示工作環(huán)境信息以及計算的壓力測量值。此外，也還可以包括輸出裝置，用于輸出工作環(huán)境信息以及計算的壓力測量值。

3　基于補償式微壓計的壓力測量方法

下面以圖4所示的實施例為例，詳細描述本文基于補償式微壓計的壓力測量系統(tǒng)測量壓力的方法。

首先，對補償式微壓計進行初始調(diào)零。開啟圖像采集裝置采集讀數(shù)尖頭112與觀測筒115內(nèi)液面的反射圖像，經(jīng)圖像處理裝置放大后在顯示裝置上顯示出來。顯示裝置上顯示的圖像包含讀數(shù)尖頭112的頭尖與其在液面上形成的虛像的影尖，通過觀測頭尖與影尖之間的距離，判斷讀數(shù)尖頭112的頭尖與影尖是否相接。若兩者沒有相接，需要增加或減少水量，然后調(diào)撥旋轉(zhuǎn)標尺101和調(diào)節(jié)螺母111。當從顯示裝置上觀察到讀數(shù)尖頭112的頭尖與其倒影相切時，此時觀測筒115內(nèi)的液面即為零點液位。檢定工作開始時，將動壓管110通過外接壓力源與被測壓力相接，在外接壓力源提供的壓力作用下，觀測筒115內(nèi)液面將上升或下降。通過調(diào)節(jié)長螺桿104帶動大容器106向下或向上移動，進而引起觀測筒115內(nèi)液面下降或上升。當壓力平衡時觀測筒115內(nèi)液面大致接近零點液位，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)標尺101和調(diào)節(jié)螺母111，使觀測筒115內(nèi)液面重新回到零點液位，讀出液面高度變化的示值讀數(shù)h。根據(jù)第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、濕度傳感器以及氣壓傳感器分別采集的當前溫度值t1、t2、濕度值φ以及氣壓值p，確定液體密度ρ以及空氣密度ρ′。其中，液體密度ρ可根據(jù)不同介質(zhì)在不同溫度下的常數(shù)表查找得出，溫度可取t1和t2的平均值?？諝饷芏圈选淇捎孟率接嬎悖?/p>

(2)

其中t=(t1+t2)/2。將當前溫度下的液體密度ρ以及根據(jù)式(2)得到的空氣密度ρ′代入式(1)，即可得到較為準確的壓力測量結(jié)果。

4　小結(jié)

1)通過增設(shè)圖像采集裝置以及顯示裝置觀測零點液位，能夠在顯示裝置上方便地觀看水準頭與觀測筒內(nèi)液面的反射圖像，相比于用肉眼直接觀測，較更容易較準確地確定零點液位。

2)通過增設(shè)圖像處理裝置，將反射圖像進行放大，使得在確定零點液位時，水準頭的頭尖與液面上的虛像的影尖之間的距離僅有毫米量級的誤差，相比于現(xiàn)有的靠人眼識別，極大地減少了人為引起的誤差，能夠有效提高零點的精度，有利于精確測量。

3)通過增加環(huán)境信息采集裝置，根據(jù)實時采集的溫度、濕度、氣壓信息以及補償式微壓計的測量讀數(shù)計算壓力測量值，有效提高了補償式微壓計的測量精度和準確度。

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