活塞式压力计专用砝码的溯源及质量修正
2013-12-10翟巧丽吴少辉程斌
翟巧丽，吴少辉，程斌
(中国人民解放军63870 部队，陕西 华阴714200)
0 引言
活塞式压力计是在压力计量中占有重要地位的一种计量标准仪器，由于其结构简单，计量性能稳定，因此被选作我国国家压力基准装置，主要用于标准压力的量值传递。活塞式压力计的溯源依据JJG59 －2007《活塞式压力计检定规程》，其专用砝码质量的检定依据JJG99 －2006 《砝码检定规程》进行，由于涉及两个不同的专业，因此在实际工作中，活塞式压力计溯源时大多只关注活塞系统及压力校验器，而忽略了专用砝码的溯源。究其原因，有些是使用单位送检时没有带上专用砝码;也有些是检定人员依据多年经验认为砝码的变化量较小，不影响活塞式压力计的测量准确度，因此在检定时将砝码检定的项目省略;另有些是上级计量机构出具的检定证书上只有砝码质量测量值，没有给出其理论值，提示使用单位“测量压力时，活塞及其连接零件的质量和专用砝码的质量，需按活塞有效面积，使用地点重力加速度及空气浮力进行修正”。针对这些问题，本文探讨了活塞式压力计专用砝码溯源的相关问题，给出了专用砝码质量修正的方法。
1 工作原理及砝码溯源的重要性
1.1 工作原理
活塞式压力计是根据帕斯卡原理、流体静力学力平衡原理为基础进行压力计量的，它利用压力作用在活塞上的力与专用砝码的重力相平衡来测量压力仪器，依据传压介质不同有气压和液压两类活塞式压力计。活塞式压力计主要由活塞系统、专用砝码和校验器三大部分组成，如图1 所示。活塞系统是活塞式压力计的核心部件，由活塞和活塞筒组成。专用砝码是活塞式压力计配套的砝码，一般为带有轮缘的圆盘，中心具有同心的凹部和凸部。校验器有时也称压力泵或压力计底座，它由压力泵、阀门和连接管等组成，用以安装活塞系统，并有造压功能。
图1 活塞式压力计基本结构
当被测压力P 作用于活塞筒内的活塞底部时，设活塞底部有效面积为Ae，有一个与该压力成正比的力T 作用在活塞底部，此力垂直向上，且
质量为M 的专用砝码加载于活塞之上，砝码产生的重力G0作用于活塞之上，力的方向垂直向下，且
式中:g 为活塞使用地重力加速度。
当重力G0与力T 相平衡时，有平衡方程式:
即Mg = AeP。所以，
由式(4)可知，当活塞式压力计的活塞达到力平衡时，被测压力可由专用砝码的质量M 和活塞有效面积Ae的比值来决定。
1.2 砝码溯源及质量修正的重要性
1.2.1 砝码溯源的重要性
由上分析知，活塞式压力计的准确度主要取决于活塞有效面积Ae和专用砝码的质量M 的测量准确度，因此，对活塞式压力计进行溯源时应重视专用砝码的溯源。在JJG59 －2007 《活塞式压力计检定规程》的检定项目中，专用砝码质量在首次检定、后续检定及使用中检验都是应检项目。
1.2.2 空气浮力的影响
根据阿基米德原理，专用砝码在空气中使用会受到空气浮力作用，使加载到活塞上的有效质量减少。专用砝码在空气中受到的浮力f 为
式中:ρa为空气密度，1.2 kg/m3;ρm为专用砝码的材料密度 (钢为7.8 × 103kg/m3，铝为2.7 × 103kg/m3);g 为所处地点重力加速度;v 为专用砝码在空气中的体积;m 为专用砝码的质量。
实际作用在活塞上的重力G 为
由式(6)可以看出，由于空气浮力影响，实际作用在活塞上的有效砝码质量为m(1 －)g，常压下，当砝码材料为钢，值约为0.0154%。0.02 级活塞式压力计专用砝码质量的允许误差为±0.008%，由此可见由于空气浮力的影响导致砝码质量误差几乎是允许误差的两倍。以活塞式压力计67768 为例，根据2010年活塞有效面积检定结果，被测压力值为5MPa 时，经计算，由空气浮力引起的压力测量误差为0.0062%，是活塞式压力计允许误差的1/3。因此实际使用中为了确保活塞式压力计的准确度，应对砝码质量进行修正，修正量Δm 为
1.2.3 重力加速度的影响
专用砝码质量的理论值是依据上级计量机构给出的活塞有效面积、重力加速度、压力标称值等计算获得的，计算过程中因取重力加速度标准值 (g =9.80665 m/s2)和使用地(以华阴为例)重力加速度(g=9.7951 m/s2)不同而引入的误差为0.118%，由于上级计量技术机构所在地(北京)重力加速度(g=9.8015 m/s2)与使用地(华阴)重力加速度(g =9.7951 m/s2)不同而引入的误差为0.065%，与专用砝码质量允许误差±0.008%相比，重力加速度选取不准而引入的误差显然不能忽略。因此，在压力测量时应根据使用地重力加速度值对砝码质量进行修正。
2 专用砝码的检定及质量修正方法
2.1 技术要求
活塞式压力计专用砝码的检定依据JJG99 －2006《砝码检定规程》，检定时应注意以下几个问题:①首次检定的活塞式压力计砝码和承重盘，其表面应完好，有耐磨防锈层(如发蓝、发黑或镀铬)的砝码不得有锈点，同时应光滑无砂眼及其它损伤。②活塞式压力计各个砝码的凹凸面须能正确配合，不得过松或过紧，并能保持同心。③同一标称值的砝码应具有相同的形状和尺寸。④如砝码或承重盘上有调整腔，调整塞的上表面不得高于砝码或承重盘的表面。⑤0.02 级以上(含0.02 级)的活塞式压力计专用砝码应使用无磁金属材料。
2.2 专用砝码质量修正方法及允许误差
由于活塞式压力计专用砝码的标称值为其作用在活塞上所产生的压力值(以kPa，MPa 为单位)，因此，使用时应依据活塞有效面积测量结果将其转换为相应的质量值。由JJG59 －2007 《活塞式压力计检定规程》知，活塞式压力计测量范围上限可在0.6，6，25，60，100，160，250，500 MPa 中选取，由上分析，专用砝码质量计算时应考虑空气浮力作用及使用地重力加速度对其进行修正，具体计算方法如下。
2.2.1 测量上限6MPa 及以下
测量上限6MPa 及以下的活塞式压力计，其专用砝码、活塞及其连接件质量按公式(8)计算:
式中:m 为专用砝码、活塞及其连接零件质量，kg;p为被测压力值，Pa;A＇为被检活塞式压力计活塞有效面积，m2;ρa为周围空气的密度，kg/m3;ρm为专用砝码、活塞及其连接件材料密度，kg/m3;g 为活塞式压力计使用地点的重力加速度，m/s2。
通常计量检定规程附录表中给出了全国大多数地区的重力加速度值，对未列入表中地区的重力加速度值，可用公式(9)计算当地的重力加速度。
式中:R 为地球半径，取R = 6371 ×103m;h 为测量地点的海拔高度，m;φ 为测量地点的纬度，(°)。
2.2.2 测量上限大于6 MPa
测量上限大于6 MPa 的活塞式压力计，配套的专用砝码必须按顺序号放置，专用砝码、活塞及其连接件质量按公式(10)计算。
式中:mj为按次序加载的第j 块砝码的质量，kg;pj为在参考温度和标准重力加速度下，加载第j 块砝码产生的压力值，Pa;A＇0 为在零压力和参考温度下，被检活塞式压力计活塞有效面积，m2;g 为活塞式压力计使用地点重力加速度，m/s2;ρa为周围空气的密度，kg/m3;ρm为砝码材料的密度，kg/m3;λ 为活塞—活塞筒组件的压力变形系数，Pa－1。
注:λ 值取决于活塞和活塞筒材料、尺寸及结构，其值用下式计算:
式中:E，E1为活塞筒、活塞材料的弹性模量，MPa;μ，μ1为活塞筒、活塞材料的泊松比，具体数值参看表1;R1为活塞筒的外半径，m;R2为活塞的半径，m。
活塞、活塞筒使用相同材料时，变形系数用式(12)计算。
表1 活塞、活塞筒材料的线膨胀系数、弹性模量和泊松比
2.2.3 误差要求
通过本文所述方法计算出每块专用砝码质量的理论值，与上级机构给出的实际测量值相比较，满足表2规定的误差要求的可以直接使用，不满足的应对砝码质量进行修正(增加或减少配重)，以满足使用要求。
3 溯源结果的使用
活塞式压力计在溯源时对专用砝码质量理论值计算若已根据空气浮力、使用地点重力加速度、活塞压力变形系数作了修正，并且实际测量结果满足相应等级允许误差要求，溯源结果可直接使用(目前这种情况很少)，否则，使用单位应依据本文3.2 所述方法，结合活塞有效面积周期溯源结果，对专用砝码质量进行修正，确保专用砝码质量在表2 所述的误差允许范围内。
表2 活塞式压力计专用砝码质量最大允许误差
本文针对部分生产厂家没有配带配重砝码的现象，研究了针对压力测量结果的修正方法，编写了相应的转换软件，将砝码的质量修正值转换为加载该砝码时所产生压力值的修正量，增加了本文所述砝码质量修正方法的实用性。
4 结束语
靶场试验用压力仪表测量结果的准确与否，不仅关系着试验数据的准确性与可靠性，而且影响参试设备及人员的安全。本文分析表明，专用砝码的质量直接影响活塞式压力计的压力测量值，专用砝码测量的准确度及修正结果直接影响压力量值传递的准确性。因而在活塞式压力计溯源工作中应特别关注其配套砝码的溯源，并对溯源结果进行识别，必要时应对专用砝码质量进行修正，使之在文中所述的误差允许范围之内，以确保靶场压力量值传递的准确性与可靠性，进而确保靶场试验的安全及测试数据的准确性。
［1］国家质量监督检验检疫总局. JJG59 －2007 活塞式压力计计量检定规程［S］. 北京:中国计量出版社，2007.
［2］国家质量监督检验检疫总局. JJG99 －2006 砝码检定规程［S］. 北京:中国计量出版社，2006.
［3］中航一集团第304 研究所. 计量检定员培训教材(压力)［M］. 北京:2008.
［4］河北省沧州市试验机厂. YU－6 活塞式压力计使用说明书［M］. 沧州:2009.
［5］王阳，齐坤，徐维钧，等. 活塞式压力计检定和使用中相关问题探讨［J］. 计测技术，2010，30 (6):29 －31.
