气体活塞式压力计压力专用砝码质量的检定问题

张金亮

(山西省计量科学研究院，山西太原030032)

0 引言

气体活塞式压力计是基于流体静力学平衡原理和帕斯卡定律而进行压力计量的标准仪器。利用了气体灵敏度高、流动性强、摩擦阻力小、容易控制等特点。气体活塞式压力计灵敏阈高、误差极小、无污染、检测数据准确可靠，是一款高准确度压力计量标准装置，一般由活塞系统、专用砝码、压力校验器组成，可进行表压和绝压的测量和校准。其中，专用砝码是溯源到质量的。在质量的计量中，砝码质量有折算质量和真空中质量两种表达方式，在气体活塞式压力计压力专用砝码的检定中，一般均给出其折算质量。根据JJG 1086-2013《气体活塞式压力计检定规程》，专用砝码质量、活塞及其连接件质量为真空中质量，因此，需对其折算质量与真空中质量进行计算修正。本文从折算质量与真空中质量的概念出发，对活塞及其连接件、专用砝码质量对气体活塞式压力计压力值的影响作了详细的分析。

1 气体活塞式压力计工作原理

1.1 气体活塞式压力计工作原理

气体活塞式压力计工作原理是根据静力学平衡原理和帕斯卡定律，由加放在活塞上的已知作用力G(专用砝码产生的重力)，与作用于已知活塞有效面积A 上的被测压力p 所产生的力相平衡。其平衡方程如式(1)所示。

式中:p 为被测压力值，Pa;G 为专用砝码产生的重力;A 为活塞有效面积值，m2;m0为活塞杆本身质量值(真空中质量)，包括0 号砝码，kg;mi为专用砝码质量值(真空中质量)，kg;g 为使用地点的重力加速度，m/s2。

由式(1)可以看出，被测压力值p 的准确度与专用砝码产生的重力及活塞的有效面积值有关，而影响专用砝码产生的重力的因素有活塞杆本身(包括0 号砝码)以及专用砝码的质量、重力加速度、空气浮力等。

1.2 气体活塞式压力计砝码计量性能要求

根据JJG 1086-2013《气体活塞式压力计检定规程》要求:压力计活塞及其连接件质量和专用砝码质量的最大误差应符合表1 的规定。承重盘和专用砝码上应标有产品编号、标称压力值或标称质量值，标称值相同的专用砝码上还应标有顺序编号;各块专用砝码的凹凸面必须能正确配合，不得过松或过紧，并能保持同心，取、放自如;如果承重盘或专用砝码上有调整腔，调整塞的上表面不得高于砝码或承重盘的表面，压力计专用砝码应使用无磁金属材料。

表1 活塞及其连接件质量和专用砝码质量最大允许误差

2 折算质量与真空中质量的概念及其修正

2.1 折算质量与真空中质量

真空中质量即砝码在真空中测定的真实质量。

折算质量的定义:一物体在约定温度和约定密度的空气中，与一约定密度的标准器达到平衡，则标准器的质量即为该物体的折算质量。约定温度tr为20 ℃;约定的空气密度ρ0为1.2 kg/m3;砝码折算质量的约定密度ρref为8000 kg/m3。即当一只实际砝码与另一材料密度为8000 kg/m3的假想砝码，在空气密度为1.2 kg/m3的条件下相平衡，则后者在真空中的质量值就是前者的折算质量。

折算质量值mc与真空中质量值m 的关系见公式(2)。

式中:mc为折算质量;m 为真空中质量;ρa为实际空气密度;ρm为砝码密度。

2.2 折算质量与真空中质量的修正

JJG 99-2006《砝码检定规程》7.2.1.3 规定当空气密度相对于1.2 kg/m3变化超过10%时，被检砝码的计算应采用真空质量值，折算质量值由真空质量值计算而来。表2 为国内各省市自治区年平均空气密度表。

由表2 可知，在我国主要城市中，有7 个城市的年平均空气密度相对于1.2 kg/m3变化超过10%。

以1 kg(真空中质量)不锈钢砝码(密度为7800 kg/m3)为例，计算这7 个城市砝码真空中质量与折算质量的相对误差，结果见表3。

表2 国内各省市自治区年平均空气密度 kg/m3

如以0.005 级气体活塞式压力计活塞及其连接件质量和专用砝码质量的最大误差为±0.001%，如果不进行折算质量与真空中质量的换算，则其不满足要求。因此，当空气密度相对于1.2 kg/m3变化超过10%时应进行折算质量与真空中质量的修正。

3 气体活塞式压力计专用砝码的检定与修正

根据JJG 99-2006《砝码检定规程》1.3.9 专用砝码的定义为:与活塞式压力计、测力计、张力计、力矩仪、扭矩仪、测功机等仪器配套使用的，或用于检定标准轨道衡的，由质量单位导出的其他量值单位的砝码。对于气体活塞式压力计专用砝码，采用砝码的真空中质量换算成为压力计量单位帕，其与质量的关系为。

与此同时，《砝码检定规程》中规定，一等砝码采用真空中质量，其余等级的砝码均采用折算质量，压力计量中的活塞式压力计的专用砝码最多也就是相当于F2等级砝码，按照质量的检定规程在质量检测时给出的质量均为折算质量，而气体活塞式压力计用于检定压力值时，其专用砝码质量需采用真空中质量，因此，专用砝码质量则应该进行折算质量与真空中质量的换算。

气体活塞式压力计用于检定绝压时，其专用砝码质量、活塞及其连接件质量按公式(3)计算。

式中:m 为专用砝码、活塞杆及连接零件的质量，kg;p 为被测压力值，Pa;A0为被检压力计活塞有效面积，m2;g 为压力计使用地点的重力加速度，m/s2。

气体活塞式压力计用于检定表压时，其专用砝码质量、活塞及其连接件质量按公式(4)计算。

式中:m 为专用砝码、活塞杆及连接零件的质量，kg;p 为被测压力值，Pa;A0为被检压力计活塞有效面积，m2;ρa为压力计周围空气的密度，kg/m3;ρm为专用砝码、活塞及其连接件材料密度，kg/m3;g 为压力计使用地点的重力加速度，m/s2。

由式(2)，(3)，(4)，我们可以得到当用折算质量来表达砝码的质量时，活塞式压力计产生的压力P的计算公式如式(5)，(6)。

绝压模式为

表压模式为

表4 列出了不同的质量表达方式(折算质量和真空中实际质量)对几种常见砝码材料的活塞式压力计所带来的影响，两种方式下，重力加速度为9.8015 m/s2。

气体活塞式压力计压力专用砝码均使用不锈钢材料，而托盘则使用铝为材料，由表4 可以看出，不锈钢由于折算质量和真空中质量的差异所带来的误差约为0.0004%，因此，其对0.005 级气体活塞式压力计的影响可以忽略，而铝的影响的误差为0.0294%，已远远大于气体活塞式压力计所允许的误差。

表4 不同质量表达方式对不同砝码材料的活塞式压力计所带来的影响

4 结束语

压力是质量的导出量，气体活塞式压力计压力专用砝码是其复现压力值的主要来源，因此，其专用砝码质量计算的准确与否，对气体活塞式压力计的准确度有着重要的影响。而在砝码检定中，有折算质量与真空中质量两种表达方式，根据文中所述，折算质量与真空中质量的差值，受到空气密度的影响，当空气密度相对于1.2 kg/m3变化超过10%时，应进行折算质量与真空中质量的修正;对于气体活塞式压力计活塞杆及其连接件质量以及压力专用砝码质量的检定，其活塞杆及其连接件以及压力专用砝码的材质对真空中质量与折算质量的修正也有着一定的影响，为确保气体活塞式压力计压力值的准确度，对其进行检定时，应进行折算质量与真空中质量的修正。

［1］国家质量技术监督检验检疫总局.JJG99-2006 砝码检定规程［S］.北京:中国计量出版社，2007.

［2］国家质量技术监督检验检疫总局.JJG1086-2013 气体活塞式压力计检定规程［S］.北京:中国计量出版社，2013.

［3］姚弘.砝码［M］.北京:中国计量出版社，2007.

［4］李燕华.活塞式压力计专用砝码质量在计算和修正中的问题［J］.计量技术，2007(4):50-52.