邢 威

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

引言

氣體活塞式壓力計(jì)是使用氣體介質(zhì)并潤(rùn)滑的、高精度的靜重標(biāo)準(zhǔn)壓力儀器，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、機(jī)械、船舶、氣象、儀表等多項(xiàng)不同領(lǐng)域。美國(guó)RUSKA公司2 465型高精度氣體活塞壓力計(jì)是中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所壓力專(zhuān)業(yè)最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，承擔(dān)著所發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)數(shù)據(jù)可靠性的量值傳遞。使用多年來(lái)，為所型號(hào)試制任務(wù)做出了卓越貢獻(xiàn)。但經(jīng)過(guò)多年使用，其硬件部分已老化，高量程活塞在檢定過(guò)程中漏氣現(xiàn)象明顯，致使相關(guān)校準(zhǔn)工作無(wú)法正常進(jìn)行。此外，輔助設(shè)備2411砝碼計(jì)數(shù)器一直存在頻繁丟失原始數(shù)據(jù)的情況，重新錄入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大概需2~3 h，嚴(yán)重影響工作效率。由于購(gòu)置新設(shè)備批復(fù)有較大難度，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)采集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，確保試車(chē)進(jìn)度，提出對(duì)該氣體活塞壓力計(jì)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

1 改造目的及要求

為滿足實(shí)驗(yàn)室檢定能力需要，工作更加方便快捷，在原有硬件設(shè)備基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)調(diào)壓和計(jì)算功能，對(duì)系統(tǒng)流程進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，提高壓力計(jì)的工作效率的同時(shí)，保證壓力計(jì)原有精度要求?；钊麎毫τ?jì)主要技術(shù)指標(biāo)：（0～25）psi、（0～100）psi、（0～1 000）psi，不確定度為0.003 5%。

2 活塞壓力計(jì)原理

該標(biāo)準(zhǔn)主要由活塞壓力計(jì)、2411自動(dòng)轉(zhuǎn)換器和2461手操器三部分組成。活塞壓力計(jì)是由共用一個(gè)底座的三個(gè)不同量程的活塞及活塞筒組成。它是根據(jù)帕斯卡原理、流體靜力學(xué)力平衡原理為基礎(chǔ)進(jìn)行壓力計(jì)量，其活塞系統(tǒng)工作介質(zhì)與傳壓介質(zhì)為同一種氣體，其不僅能測(cè)量表壓，而且還能測(cè)量絕壓，如圖1所示。

氣體活塞式壓力計(jì)有一個(gè)真空玻璃罩，這個(gè)真空玻璃罩在進(jìn)行絕壓測(cè)量時(shí)起了重要作用。為了在測(cè)量時(shí)保持活塞和專(zhuān)用砝碼與活塞筒之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用電機(jī)來(lái)完成。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

活塞壓力計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括計(jì)算機(jī)、高精度壓力控制器、采集卡、壓力真空泵及壓力氣源等硬件設(shè)備組件，見(jiàn)圖2。通過(guò)計(jì)算機(jī)的RS232接口連接形成回路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制校準(zhǔn)?；钊到y(tǒng)的改進(jìn)主要從自動(dòng)調(diào)壓和砝碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換計(jì)算兩方面進(jìn)行。

3.1 自動(dòng)調(diào)壓設(shè)計(jì)

針對(duì)手動(dòng)調(diào)壓解決不了活塞泄露的弊端，改造目標(biāo)從自動(dòng)調(diào)壓入手。最終技術(shù)人員受數(shù)字壓力控制器使用過(guò)程啟發(fā)，采用自動(dòng)控制來(lái)解決調(diào)壓?jiǎn)栴}，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，控制效果穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部壓力使活塞浮起到適當(dāng)?shù)奈恢蒙希訙p壓過(guò)程要緩慢，對(duì)低壓活塞要小于15 psi/min，其他的要小于100 psi/min。

3.2 2411砝碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換器改進(jìn)設(shè)計(jì)

2411砝碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換器是活塞壓力計(jì)的輔助配套設(shè)備，易發(fā)生丟失原始數(shù)據(jù)的故障，重新錄入大約需2～3小時(shí)。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了2411自動(dòng)計(jì)算軟件，通過(guò)內(nèi)置的測(cè)壓、測(cè)溫及高度傳感器裝置，采集模擬信號(hào)，參與公式計(jì)算，得出需要加載的相應(yīng)砝碼：

式中：Mdwg為活塞處于平衡位置時(shí)，所需加載的砝碼質(zhì)量；M為壓力平衡時(shí)活塞筒與砝碼的總質(zhì)量；Mp為活塞筒自重，而M可由式（2）算得：

式中：Pdwg為活塞與砝碼處于平衡時(shí)所承受的壓力，MPa；A0為活塞零壓力和參考溫度時(shí)的代表面積，m2；b1為活塞/活塞筒彈性形變第一系數(shù)，1/MPa；b2為活塞/活塞筒彈性形變第二系數(shù)，1/MPa2；c為活塞/活塞筒溫度系數(shù)，1/℃；t為活塞系統(tǒng)的溫度，℃；r為A0的參考溫度，℃；k=1.0×10-8；g1為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，cm/s2；pa為當(dāng)?shù)乜諝饷芏龋琯/cm3；pb為砝碼材質(zhì)密度，g/cm3。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證及不確定度分析

4.1 測(cè)量不確定度評(píng)定

活塞測(cè)壓的數(shù)學(xué)模型為：

式中：p為當(dāng)活塞處于工作位置時(shí)，活塞所產(chǎn)生的壓力，Pa；mi為活塞、活塞承重盤(pán)、連接件以及專(zhuān)用砝碼質(zhì)量，kg；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m·s-2）；ρa(bǔ)為當(dāng)?shù)乜諝饷芏龋琸g·m-3；ρmi為砝碼密度，kg·m-3；ρ1為介質(zhì)密度，kg·m-3；λ為壓力形變系數(shù)，MPa-1；A0為在參考溫度和當(dāng)?shù)卮髿鈮合碌幕钊行娣e，m2；ti為工作時(shí)活塞溫度，℃；h為活塞參考平面與測(cè)量平面的差，m；α為活塞組熱膨脹系數(shù)，α=αp+αc；αp為活塞桿熱膨脹系數(shù)，℃-1；αc為活塞筒熱膨脹系數(shù)℃-1；Γ為活塞表面張力系數(shù)，N/m；pref為活塞參考端壓力，Pa。

由于該氣體活塞壓力計(jì)即可表壓測(cè)量又可絕壓測(cè)量，下面就以表壓測(cè)量為例進(jìn)行分析，由于使用是氮?dú)庾鞴ぷ鹘橘|(zhì)，所以，表面張力可以忽略不計(jì)，規(guī)程規(guī)定參考溫度20℃，公式（3）可以簡(jiǎn)化為：

由式（4）可知不確定度分量有下面幾分量組成，m、g、α、A、h、t等，還要考慮活塞垂直度引起的不確定度，下面具體分析。

4.1.1 活塞有效面積的不確定度

根據(jù)上級(jí)檢定機(jī)構(gòu)給出的三個(gè)活塞有效面積的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.002 5%，k=2，則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.1.2 活塞、砝碼質(zhì)量的不確定度

由上級(jí)檢定機(jī)構(gòu)給出的活塞、砝碼質(zhì)量擴(kuò)展不確定度為1×10-5，k=2，其標(biāo)準(zhǔn)不定度為：

4.1.3 重力加速度的不確定度

本地重力加速度值由國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心獲得。其精度可達(dá)10-8，作為基本點(diǎn)的點(diǎn)位距本標(biāo)準(zhǔn)工作地點(diǎn)1 km左右，故此項(xiàng)誤差可以忽略。

4.1.4 溫度變化引起的不確定度

該活塞壓力計(jì)采用鉑電阻進(jìn)行測(cè)溫，其的最大誤差按0.15℃計(jì)算，按均勻分布對(duì)待，k=，則：

4.1.5 垂直度引起的不確定度

活塞的安裝以及活塞本身結(jié)構(gòu)有可能造成活塞軸線的不垂直，從而使加在活塞有效面積上的力小于活塞以及砝碼所產(chǎn)生的重力，如果θ為軸線傾斜角度，那么傾斜帶來(lái)的影響量為（1-cosα）p,通常規(guī)程規(guī)定，活塞安裝垂直度要小于2'，所以帶來(lái)的不確定度應(yīng)為：

4.1.6 壓頭修正

由于被檢儀表參考平面與標(biāo)準(zhǔn)活塞底面高度差引起的壓頭修正儀表通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行，儀表說(shuō)明書(shū)給出當(dāng)溫度在20～30℃范圍內(nèi)壓力修正的最大擴(kuò)展不確定度在7MPa時(shí)為2.8×10-6/in=1.1×10-6/cm，位置差0.1 cm,k=2則：

4.1.7 該標(biāo)準(zhǔn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u c

取k=2，則該標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度為：

該值小于儀表出廠時(shí)給定的0.003 5%擴(kuò)展不確定度。

4.2 重復(fù)性驗(yàn)證

選高精度數(shù)字壓力控制儀作為驗(yàn)證對(duì)象結(jié)果如下：選美國(guó)FLUKE公司的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.005（讀數(shù)精度）的7252型數(shù)字壓力控制儀，在20℃、相對(duì)濕度45%環(huán)境條件下，選取80 psi為檢定點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)檢定觀測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1 重復(fù)性觀測(cè)值

而相對(duì)測(cè)量重復(fù)性應(yīng)為：

4.3 穩(wěn)定性驗(yàn)證

仍取編號(hào)為No.68 993的FLUKE 7252，用于氣體活塞的穩(wěn)定性測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)壓力值仍為80.000 psi，觀測(cè)值見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)定性觀測(cè)值

總平均值為：

則：

其相對(duì)穩(wěn)定性應(yīng)為：

其值小于U95，故測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性驗(yàn)證合格。

4.4 技術(shù)指標(biāo)

改進(jìn)后的壓力活塞系統(tǒng)在保證原有精度的基礎(chǔ)上，工作效率有明顯提升，是原有工作效率5～8倍，現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 改進(jìn)后的技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)論

高精度氣體活塞壓力計(jì)的自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)，既有效解決了活塞漏氣造成的補(bǔ)壓難問(wèn)題，也徹底彌補(bǔ)了不容易上手，操作復(fù)雜的弊端。通過(guò)增加自動(dòng)調(diào)壓及實(shí)時(shí)測(cè)量并修正環(huán)境影響功能，計(jì)算并給出所需加載的砝碼值，控制整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，用戶可通過(guò)程序控制完成校準(zhǔn)任務(wù)。改進(jìn)后的活塞在保證原有精度的同時(shí)還保留了手動(dòng)調(diào)壓功能，以滿足微調(diào)時(shí)的壓力補(bǔ)償，可與自動(dòng)調(diào)壓同步進(jìn)行，穩(wěn)壓效果更佳，降低了人為因素所導(dǎo)致的檢定誤差，更在一定程度上避免了因操作失誤而導(dǎo)致活塞卡滯。通過(guò)多年的實(shí)際應(yīng)用證明，新活塞系統(tǒng)能夠確保發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，保證發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)任務(wù)的順利開(kāi)展，每年為所節(jié)省了數(shù)十萬(wàn)元的檢定經(jīng)費(fèi)，更為型號(hào)試制工作提供重要支撐。