使用活塞式压力计进行压力测量时需注意的几个问题

冯齐斌，秦亭亭，洪 扁，徐 煦

（上海市计量测试技术研究院，上海 201203）

0 引言

活塞式压力计是以帕斯卡定律和流体静力学力平衡原理为基础进行测量压力的计量器具。其工作原理的计算公式为p = F/A，即由已知活塞有效面积A、已知专用砝码质量F，通过计算求得压力量值p。

活塞式压力计主要由活塞系统、专用砝码和校验器组成[1]，其中活塞系统包含活塞和活塞筒。其原理结构图如图1 所示。

由于活塞的有效面积和专用砝码质量可以精确测量，所以活塞式压力计的准确度较高，且具有良好的稳定性，在压力计量技术中，通常作为压力计量标准器使用。

1 活塞式压力计在压力量值传递中需注意的几个问题

活塞式压力计在使用前都需要送计量技术机构进行溯源，计量技术机构依据检定规程的要求进行各个项目的检定或校准，检定合格出具检定证书，校准证书一般给出活塞的有效面积值、砝码的实测值及其测量不确定度。工作中遇到很多企业的技术人员，他们都能按照计量管理的要求将设备按时送检，但由于缺乏对活塞式压力计的了解，认为拿到证书就能使用了，导致在使用活塞式压力计进行压力量值传递时引入了多种系统误差，使得产品的计量性能出现偏差，从而在产品的型式评价、质量抽查、委托计量检定中出现问题，造成经济损失。

图1 活塞式压力计原理结构图Fig.1 Schematic diagram of piston gauge

活塞式压力计在测量压力时的基本公式为：

公式（1）中：

m——专用砝码、活塞及其连接件总质量m（真空中的质量），kg

g——活塞压力计工作地点的重力加速度，m/s2

ρa——空气密度，kg/m3

ρm——砝码材料密度，kg/m3

θ——活塞轴线与重力方向的夹角，(°)

Γ——工作介质的表面张力系数，N/m

C——活塞的周长，m

Fr——为活塞和活塞筒之间的摩擦力，表现为活塞的鉴别力，N

A0——活塞系统在零压力和20℃下的有效面积，m2αP和αc——活塞和活塞筒的热膨胀系数，℃-1

t——活塞系统温度，℃

λ——压力变形系数，MPa-1

P——接近实际压力值的一名义值，MPa

从式（1）可以看出，实际使用活塞压力计测量压力时要考虑众多影响因素，下面分别对几个主要问题进行探讨，在使用时需加以重视。

1.1 专用砝码质量对压力量值的影响

公式（1）中的专用砝码、活塞及连接件总质量m 是指真空中质量，但在质量室对砝码检定时，依据相应的检定规程，给出的数据为砝码的折算质量。真空中质量与折算质量的换算关系见公式（2）：

式（2）中，m 为砝码的真空中质量，mc为砝码的折算质量。目前活塞式压力计的专用砝码材质一般为不锈钢或铝，由于折算质量和真空中质量的差异对压力量值的误差分别为0.0004%和0.0294%[2]。所以需要根据使用情况，将公式（2）代入公式（1）中对其进行修正和计算。

1.2 使用地点重力加速度对压力量值的影响

计量技术机构在出具活塞式压力计检定证书时都会依据JJG59-2007 附录D，给出专用砝码使用地点的重力加速度值，这也是专用砝码理论计算值的依据。从附录D 可以看出，各地的重力加速度都不相同，所以同一组专用砝码在不同地区使用时所得到的压力量值也是不相同的。例如检定证书中注明重力加速度值为9.7946m/s2（上海），如果将这台设备移至长春使用，由于长春的重力加速度值为9.8048m/s2，从而引入的误差为0.1%，超过了活塞式压力计的最大允许误差。对于同一地区，重力加速度的值也有不同。例如上海某实验室经中国计量院现场实测后，附录D 中的参考值与实测值的误差约为0.004%，这对于0.01 级及以上的活塞式压力计来说，将会引入相当大的误差。所以，建议技术人员根据活塞式压力计准确度等级及使用情况考虑是否需要联系有资质的技术机构对重力加速度进行现场实测。

1.3 与被测设备的高度差对压力量值的影响

活塞式压力计在使用中，还需要考虑与被测设备的高度差对压力量值的影响。不同结构的活塞系统其参考位置不同，例如实心活塞的参考位置位于活塞的下端面（活塞处于工作位置后），一般生产厂家会在安装活塞系统的外筒上标示出参考位置。对于被测设备：电测试压力计的参考位置一般为感压元件的位置或厂家标明的位置；指针式压力表的参考位置一般为表盘指针轴处，如图2 所示：ΔH即为两者参考位置的高度差。可以使用高度卡尺来对高度差进行测量。

由液位高度差引起的压力值可按照公式（3）计算：

式（3）中， Δp 为液位高度差引起的压力值，Pa；ρ 为工作介质密度，kg/m3；g 为使用地点重力加速度，m/s2；ΔH 为压力表指针轴平面与活塞式压力计活塞下端面之间的高度差，m。以变压器油为工作介质为例，10mm 液体高度差造成的压力差值约为80Pa。则对于1MPa 的压力值，若忽略高度差，引入的误差约为0.008%。当工作介质为气体时，由于气体的密度远小于液体的密度，在测量中经常会忽略气体高度差的影响。但是由于气体的可压缩性，即气体的密度与压力成正比，计算时可以使用气体状态方程得出不同压力下气体的密度值，从而判断是否应对测量结果进行高度修正。

图2 高度差测量示意图Fig.2 Schematic diagram of height difference measurement

1.4 在高压测量时，压力变形对压力量值的影响

在高压测量时，压力变形对活塞有效面积的影响是显著的。JJG59-2007 规程中规定，测量上限大于25MPa（包括25MPa）的活塞式压力计，并用于测量压力时，需要对压力变形进行修正。

对于kg 砝码，可以将活塞系统的变形系数代入公式（1）求得实际压力值。例如材质为碳化钨、活塞有效面积名义值为0.05cm2的活塞系统，其变形系数的计算值约为7×10-7MPa-1，在25MPa 压力测量点，若忽略压力变形的影响，引入的误差约为0.002%。

对于MPa 砝码，需要根据JJG59-2007 中公式（9）计算按照顺序加载的每一块专用砝码质量，当用于压力测量时，配套的专用砝码必须按照顺序放置使用。

1.5 其他需注意的影响因素

活塞式压力计在使用前还需对活塞系统进行水平调整，否则易造成活塞杆在活塞筒内不能正常旋转，增加活塞杆与活塞筒的摩擦，从而影响测量结果甚至损坏活塞系统。

JJG59-2007 规程中表13 规定了不同准确度等级的活塞式压力计的环境温度条件，使用时环境温度若超过了温度允许范围，则需通过测温系统对活塞有效面积进行温度修正。

2 结束语

目前，对于活塞式压力计压力量值影响量的测量还存在一些问题。一是对于活塞系统温度的准确测量，目前活塞系统的温度值主要通过测量活塞筒外壁的温度来估算，两者还存在一定的差距。二是对于变形系数的计算，目前主要根据JJG59-2007 规程附录A 中压力变形系数的公式计算得到，使用该公式需要已知活塞及活塞筒的弹性模量和泊松比，对此检定规程中也用列表的形式给出了常用活塞系统材质的弹性模量和泊松比的经验数据。但是材料中如合金颗粒的粗细、微量元素的差异和热处理不同都会影响其力学特性，导致理论计算的变形系数与实际值存在差异[4]。