活塞压力计

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第205页（3834字）

活塞压力计是根据流体静力学平衡原理及帕斯卡定律为基础进行压力测量的，它是利用压力作用在活塞有效面积上的力与活塞及其上所加专用砝码的重力相平衡的原理制成的压力计。根据活塞承重盘上重量所产生压力的大小来确定被测压力的数值。

设被测的压力为p(Pa)、平衡重量为m(kg)、活塞的有效面积为A_ef(m²)，使用地点的重力加速度g(m／s²)则被测压力由下式求得：

p=mg／A_ef (4．8－2)

活塞压力计由配套专用砝码1，活塞系统(由活塞杆2和活塞筒3构成)和造压系统4组成，如图4．8－12，按工作介质不同分为气体活塞压力计和油介质活塞压力计。按结构不同分为简单活塞压力计、单活塞压力真空计、双活塞压力真空计、带平衡液柱活塞压力计、控制间隙活塞压力计、反压活塞压力计和浮球压力计等。

图4．8－12 活塞压力计原理示意图

活塞压力计主要用于压力量值传递和高精度的压力测试。是我国最早建立的压力基标准。在五十年代末由苏联引进一套0．005级，量程范围：0．04～0．6MPa；0．1～6MPa；1～60MPa三台活塞压力计，国内开始制造0．02、0．05级和0．2级活塞压力计以适应逐级建标，1964年开始研制我国的基准活塞压力计，它由5套活塞系统组成，活塞杆长170mm，活塞筒长150mm，它们的有效面积接近1cm²。于1972年建成，1974年通过国家鉴定，1986年国家计量局批准为0．1～10MPa压力国家基准，总不确定度：2．1×10^－5。于1984～1985年参加国际比对，从美、英、法、德和日本等几个主要工业国比对结果看，活塞有效面积A_ef的一致性最大差优于50×10^－6，而我国的量值在全量程范围内恰在美国(NBS)和英国(NPL)之间，见图4．8－13，达到国际先进水平，从而也是国际间交流、贸易的依据。从1974年建立到目前已有20多年历史，每年担负着大量的检定传递以及高精度测试任务，随着科学技术的发展，对压力计量仪器仪表的精度要求不断提高，世界各国对活塞压力计的研制精度20ppm已达顶峰，而使用精度都很迫近，我国八十年代建立的检定系统网已不适应，原各大区建立的工作基准活塞压力计远远不够用，引进和制造工作基准级活塞压力计逐年增加，因此活塞压力基准使用频繁，量程范围也太小。

另外我国在上海建立了超高压压力基准，它的总不确定度为1×10^－3，量程范围：0－－－2．5GPa，结构原理是可控间隙型活塞压力计。

有效面积的计量误差，是活塞压力计误差的主要来源。一般情况下，只要把被检的活塞压力计与标准活塞压力计连通，跟据标准压力计的已知有效面积和所加平衡码的质量即可算得被检压力计的有效面积。但是作为基准活塞压力计，其有效面积只能根据绝对法求得。设活塞杆和活塞筒的面积分别为A_p和A_c则A_ei最简单的形式可表达为：

A_ef=A_p+A_c／2 (4．8－3)

实际上有效面积是温度、压力及杆、筒形状(比方加工时不可避免的喇叭口等)的函数，其理论问题仍在研究中。当考虑压力变化而引起活塞系统变形时，则应加入一个压力的修正项：

图4．8－13 国际比对结果

(4．8－4)

式中 A_。－无变形时的有效面积；

β－变形系数，即有效面积随压力p的变化率。

β的最简单的形式是：

β=1／2E₁×［3μ₁－1+E₁×((R²+r²)／(R²+r²)+μ₂)］ (4．8－5)

式中 μ，E₁－活塞杆材料的泊松比和弹性模量；

μ，E₂－活塞筒材料的泊松比和弹性模量；

r，R－活塞杆和活塞筒的半径。

活塞压力计的最大优势是操作简单、量程范围宽(0－2．5GPa)、精确度高(20ppm)、稳定性好、经久耐用、传递简便可靠。近年来美国NIST首先在计算误差方法上提高它的精确度，把传弟误差降低到1或更小，不受3限制。活塞压力计在高精度测量压力时，要严格进行浮力、温度、重力加速度等修正，公式如下：

式中 p－被测压力(Pa)；A_ef－活塞有效面积(m²)

m－活塞连杆及专用砝码质量(kg)；

－活塞材料的密度(钢铁为7．8－7．9kg／m³)；

－空气密度(1．2kg／m³)；

α－活塞杆的线膨胀系数℃^－1；

β－活塞筒的张膨胀的温度℃^－1；

t－测量时活塞系统的温度(℃)；

g－使用地点重力加速度m／s²

当测压精确度要求高于±0．005%时(微压±0．02%时)要进行温度修正，测量时间不同，测量点不同均要读出温度进行修正。

活塞压力计的误差分析：

(1)上级标准的传递误差：(2．5…3)；

(2)专用砝码质量误差(各等级均有允许误差范围)；

(3)温度影响引起的误差；

(4)安装不垂直引起的误差；

(5)重力加速度引起的误差。

各种活塞压力计都有检定规程，必须按照执行，气体介质一定用高纯空气或氮气，油介质有不同粘度要求它直接影响延续时间和下降速度值。

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