0.02级活塞式压力计测量标准不确定度研究

于大洋 刘业路 吴红肖 孔庆有 程昊

中国航发沈阳发动机研究所 辽宁 沈阳 110001

引言

在压力测量领域，活塞式压力计以其准确度高、长期稳定性好、操作简单、溯源方便而成为最常用的测量标准，而测量不确定度是衡量活塞式压力计综合性能最重要的指标。

1 活塞式压力计工作原理

0.02级活塞式压力计是由活塞筒、活塞杆和砝码等组成的系统。它是以流体静力平衡原理及帕斯卡定律为基础测量压力的，即压力通过工作介质作用在活塞底面产生的力和加在活塞上端的砝码及活塞本体的重力相平衡[1]。

2 数学模型

式中：

m—活塞、砝码和连接件总质量；g—活塞压力计所在位置重力加速度；aρ—活塞工作地点空气密度；mρ—砝码密度；θ—活塞轴线与重力方向的夹角；0A—活塞组件在零压和20℃下有效面积；t—活塞组件工作温度；λ—活塞材料压力形变系数；ip—工作压力值的名义值；Γ—流体的表面张力系数；C—活塞的周长；ρ—工作介质密度；h—压力测量点至活塞参考平面的距离；

采用相对灵敏系数，求得相应分量的相对灵敏系数为：

表1 活塞式压力计输入量及其相对灵敏系数

3 不确定度的来源

活塞有效面积引入的相对标准不确定度；标准专用砝码引入的相对标准不确定度；当地的重力加速度引入的相对标准不确定度；环境温度影响引入的相对标准不确定度；活塞垂直度影响引入的相对标准不确定度；活塞弹性形变引入的相对标准不确定度；液位差引入的相对标准不确定度；活塞工作地点空气密度引入的相对标准不确定度；流体的表面张力系数引入的相对标准不确定度；测量重复性引入的相对标准不确定度[3]。

4 标准不确定度评定

下面以（0.1～10）MPa活塞式压力计为例，详述活塞式压力计不确定度评定过程。

4.1 活塞有效面积引入的相对标准不确定度

4.2 标准专用砝码引入的相对标准不确定度

4.3 当地的重力加速度引入的相对标准不确定度

4.4 环境温度影响引入的相对标准不确定度

4.5 活塞垂直度影响引入的标准不确定度

4.6 活塞弹性形变引入的相对标准不确定度

4.7 液位差引入的相对标准不确定度

液位差修正后引入的误差不超过1mm，变压器油密度为ρ1=895kg/m3，重力加速度 g＝9.8035m/s2，由于活塞量程10%以下为不灵敏区，故按10%FS计算，服从均匀分布，得：

4.8 活塞工作地点空气密度引入的相对标准不确定度

4.9 表面张力系数引入的相对标准不确定度

查活塞式压力计检定证书得，A0=0.5013871cm2，由于活塞量程10%以下为不灵敏区，故压力值取10%FS，计算得到

4.10 测量重复性引入的相对标准不确定度

以0.02级活塞式压力计在1300kPa点对一台稳定的数字压力计做10次重复性测量，测得数据如下。

表2 重复性测量数据

则相对不确定度分量为：

5 该标准的合成标准不确定度

6 扩展不确定度

取置信因子k＝2，则置信概率约为95% ，则相对扩展不确定为：

7 结束语

本文介绍了0.02级活塞式压力计测量不确定的评定过程与方法，通过完整的数学模型的建立，便于全面识别不确定度的来源。由于测量模型相对复杂，采用相对灵敏系数的计算方法，简化了计算过程。通过对各不确定度影响因素的分析，计算得到活塞式压力计扩展不确定度，满足0.02级活塞式压力计的预期使用要求，真实完整地反映了设备的计量特性。