于大洋 劉業(yè)路 吳紅肖 孔慶有 程昊

中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所 遼寧 沈陽 110001

引言

在壓力測量領(lǐng)域，活塞式壓力計以其準(zhǔn)確度高、長期穩(wěn)定性好、操作簡單、溯源方便而成為最常用的測量標(biāo)準(zhǔn)，而測量不確定度是衡量活塞式壓力計綜合性能最重要的指標(biāo)。

1 活塞式壓力計工作原理

0.02級活塞式壓力計是由活塞筒、活塞桿和砝碼等組成的系統(tǒng)。它是以流體靜力平衡原理及帕斯卡定律為基礎(chǔ)測量壓力的，即壓力通過工作介質(zhì)作用在活塞底面產(chǎn)生的力和加在活塞上端的砝碼及活塞本體的重力相平衡[1]。

2 數(shù)學(xué)模型

式中：

m—活塞、砝碼和連接件總質(zhì)量；g—活塞壓力計所在位置重力加速度；aρ—活塞工作地點空氣密度；mρ—砝碼密度；θ—活塞軸線與重力方向的夾角；0A—活塞組件在零壓和20℃下有效面積；t—活塞組件工作溫度；λ—活塞材料壓力形變系數(shù)；ip—工作壓力值的名義值；?！黧w的表面張力系數(shù)；C—活塞的周長；ρ—工作介質(zhì)密度；h—壓力測量點至活塞參考平面的距離；

采用相對靈敏系數(shù)，求得相應(yīng)分量的相對靈敏系數(shù)為：

表1 活塞式壓力計輸入量及其相對靈敏系數(shù)

3 不確定度的來源

活塞有效面積引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；標(biāo)準(zhǔn)專用砝碼引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣纫氲南鄬?biāo)準(zhǔn)不確定度；環(huán)境溫度影響引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；活塞垂直度影響引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；活塞彈性形變引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；液位差引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；活塞工作地點空氣密度引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；流體的表面張力系數(shù)引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；測量重復(fù)性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度[3]。

4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

下面以（0.1～10）MPa活塞式壓力計為例，詳述活塞式壓力計不確定度評定過程。

4.1 活塞有效面積引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.2 標(biāo)準(zhǔn)專用砝碼引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.3 當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣纫氲南鄬?biāo)準(zhǔn)不確定度

4.4 環(huán)境溫度影響引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.5 活塞垂直度影響引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.6 活塞彈性形變引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.7 液位差引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

液位差修正后引入的誤差不超過1mm，變壓器油密度為ρ1=895kg/m3，重力加速度 g＝9.8035m/s2，由于活塞量程10%以下為不靈敏區(qū)，故按10%FS計算，服從均勻分布，得：

4.8 活塞工作地點空氣密度引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.9 表面張力系數(shù)引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

查活塞式壓力計檢定證書得，A0=0.5013871cm2，由于活塞量程10%以下為不靈敏區(qū)，故壓力值取10%FS，計算得到

4.10 測量重復(fù)性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以0.02級活塞式壓力計在1300kPa點對一臺穩(wěn)定的數(shù)字壓力計做10次重復(fù)性測量，測得數(shù)據(jù)如下。

表2 重復(fù)性測量數(shù)據(jù)

則相對不確定度分量為：

5 該標(biāo)準(zhǔn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

6 擴(kuò)展不確定度

取置信因子k＝2，則置信概率約為95% ，則相對擴(kuò)展不確定為：

7 結(jié)束語

本文介紹了0.02級活塞式壓力計測量不確定的評定過程與方法，通過完整的數(shù)學(xué)模型的建立，便于全面識別不確定度的來源。由于測量模型相對復(fù)雜，采用相對靈敏系數(shù)的計算方法，簡化了計算過程。通過對各不確定度影響因素的分析，計算得到活塞式壓力計擴(kuò)展不確定度，滿足0.02級活塞式壓力計的預(yù)期使用要求，真實完整地反映了設(shè)備的計量特性。