CN105823596A - 活塞压力计检定校准装置和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种活塞压力计检定校准装置和方法，该装置包括标准活塞压力计(15)、压力源(16)、第一闸阀(11)、第二闸阀(12)、第三闸阀(13)、三通阀(14)以及压力传感器(P)，其中三通阀(14)的三个端口分别连接至待校准活塞压力计(17)、标准活塞压力计(15)和压力传感器(P)，通过控制三通阀(14)能够连通标准活塞压力计(15)和压力传感器(P)，或者连通待校准活塞压力计(17)和压力传感器(P)，标准活塞压力计(15)依次通过第二闸阀(12)和第一闸阀(11)与压力源(16)连通，待校准活塞压力计(17)依次通过第三闸阀(13)和第一闸阀(11)与压力源(16)连通。

Description

活塞压力计检定校准装置和方法

技术领域

本发明涉及压力测量领域，特别涉及一种活塞压力计检定校准装置和方法。

背景技术

计量器具的检定校准是计量技术机构的法定职责和主要任务。活塞压力计作为一种广泛使用的标准压力计量仪器，每年都需要进行大量的检定或校准工作。目前，活塞压力计的检定校准工作非常繁重，究其原因，主要是自动化程度低下。活塞压力计的检定校准方法依据的是国家计量检定规程，例如《JJG1086-2013气体活塞式压力计检定规程》，规程中所采用的方法需要耗费大量的人力，而市场上缺乏一种自动化的活塞压力计检定校准产品。

活塞压力计的核心部件是精密配合的活塞***，活塞***的有效面积A是其关键参数。在活塞***的上端加载质量为m的砝码，当压力平衡后，活塞下端的压力p可通过如下公式(1)计算得到：

p＝mg/A(1)

其中g是当地的重力加速度。

在实际的应用中，根据所需要的测量精度，公式(1)会附加一些修正项，例如空气浮力修正、热膨胀修正、压力形变修正、工作介质表面张力修正和高度差修正等。活塞压力计的工作介质为气体或液体，一般10MPa以下的压力测量工作介质为气体(例如氮气)，10MPa以上的压力测量工作介质为液体(例如活塞压力计专用油)。

图1显示现有活塞压力计检定校准装置的示意图。现有活塞压力计检定校准装置包括作为计量标准的标准活塞压力计5、压力源6、闸阀1、2、3、4，待校准活塞压力计7通过闸阀4与标准活塞压力计5连通，标准活塞压力计5依次通过闸阀2和闸阀1与压力源6连通，待校准活塞压力计7依次通过闸阀3和闸阀1与压力源6连通。闸阀1至4均有打开和关闭两种状态，可分别连通或隔断闸阀两端管路中的工作介质。压力源为管路中的工作介质提供压力。图1中所示的压力源和管路中的介质与使用的活塞压力计的工作介质相适应。

现有活塞压力计检定校准方法是在已知标准活塞压力计的有效面积A_s的情况下，确定待校准活塞压力计的有效面积A_t。现有活塞压力计检定校准方法过程如下：

检定校准之前，闸阀1、闸阀2、闸阀3、闸阀4均处于关闭状态。

开始检定校准时，首先打开闸阀1和闸阀2，通过压力源6使标准活塞压力计5中的活塞升至工作位置，然后关闭闸阀2，此时标准活塞压力计处于平衡状态，其中的活塞以一定的下降速度v_s1缓慢下降。

然后，对闸阀3进行同样的操作，即打开闸阀3，使待校准活塞压力计7中的活塞升至工作位置，然后关闭闸阀3，此时待校准活塞压力计7处于平衡状态，其中的活塞以另一下降速度v_s2缓慢下降。

打开闸阀4，观察并记录两边活塞的下降速度，如果两边活塞的下降速度与先前的v_s1、v_s2不同，则关闭闸阀4，调整加在两边活塞上的砝码质量，之后再次打开闸阀4，观察记录两边活塞的下降速度，如此反复操作，直至在闸阀4打开的状态下，两边活塞的下降速度分别与先前的v_s1、v_s2相一致，则认为此时两边活塞处于平衡状态。

记录此时加载在标准活塞压力计5上的砝码质量m_s和加载在待校准活塞压力计7上的砝码质量m_t，通过公式(2)计算得到待校准活塞压力计7的有效面积：

A_t＝m_tA_s/m_s(2)

和公式(1)一样，这里略去了修正项。

在实际操作中，由于活塞下降速度很慢，测量下降速度时需要累积几分钟，而且需要反复多次调整砝码质量，上述过程一般需要检定人员集中精力操作10分钟甚至更长。而上述过程只是一个压力点的测量，实际检定过程中往往需要测量十多个压力点，在改变压力点时还需要其他的操作，如加减砝码，调整压力等，因此检定校准一个活塞压力计往往需要一整个工作日，给检定人员带来了繁重的工作压力。

发明内容

本公开的目的是提供一种活塞压力计检定校准装置和方法，其能够避免现有检定校准装置中人为因素引起的误差，且无需耗费大量的人力。

本公开的一方面提供一种活塞压力计检定校准装置，包括标准活塞压力计、压力源、第一闸阀、第二闸阀、第三闸阀、三通阀以及压力传感器，其中所述三通阀的三个端口分别连接至待校准活塞压力计、标准活塞压力计和压力传感器，通过控制所述三通阀能够连通所述标准活塞压力计和压力传感器，或者连通所述待校准活塞压力计和压力传感器，所述标准活塞压力计依次通过所述第二闸阀和第一闸阀与所述压力源连通，所述待校准活塞压力计依次通过所述第三闸阀和第一闸阀与所述压力源连通。

优选地，所述第一闸阀、第二闸阀、第三闸阀以及三通阀是气动阀门。

优选地，通过电磁阀控制所述第一闸阀、第二闸阀和第三闸阀的打开和关闭，以及所述三通阀在所述标准活塞压力计和待校准活塞压力计之间的切换。

优选地，所述压力传感器的量程大于或等于所述待校准活塞压力计的量程。

优选地，所述压力传感器的分辨率比所述待校准活塞压力计所需的校准精度高一个量级。

优选地，所述压力传感器带有计算机通讯接口。

本公开的另一方面提供一种利用上述的活塞压力计检定校准装置的活塞压力计检定校准方法，包括以下步骤：

步骤1：根据选取的校准压力值，在标准活塞压力计上加载砝码质量m_s，在所述待校准活塞压力计上加载砝码质量m_t；

步骤2：打开第一闸阀和第二闸阀，使标准活塞压力计的活塞升至工作位置，然后关闭第二闸阀；

步骤3：打开所述第三闸阀，使待校准活塞压力计的活塞升至工作位置，然后关闭所述第三闸阀；

步骤4：操作所述三通阀，使得所述压力传感器与所述标准活塞压力计连通，记录所述压力传感器的压力值p_s；

步骤5：操作所述三通阀，使得所述压力传感器与所述待校准活塞压力计连通，记录所述压力传感器的压力值p_t；

步骤6：通过以下公式(3)计算所述待校准活塞压力计的有效面积：

$A_t=\frac{m_t{A}_s}{m_s+k(p_t-p_s)A_s/g}---\left(3\right)$

其中，A_s是所述标准活塞压力计的有效面积，k是所述压力传感器的线性系数。

优选地，多次重复所述步骤4和步骤5，并在所述公式(3)中基于多次记录的压力值p_s的平均值和多次记录的压力值p_t的平均值进行计算。

优选地，k等于1。

优选地，通过修正系数修正所述公式(3)。

与现有技术相比，本公开的有益效果在于：

(1)利用压力传感器在短时间内比较标准活塞压力计与待校准活塞压力计产生的压力值，不需要两个活塞压力计达到压力平衡的状态，也就不需要反复调整加载在活塞压力计上的砝码质量，从而简化了检定校准的过程；

(2)压力传感器的读数可以通过其通讯端口用计算机自动采集，检定人员只需操作电脑即可完成测量，大大减少工作强度，并提高工作效率和准确性；

(3)装置中的闸阀、压力设定以及活塞上砝码的加载都可实现计算机自动控制，这样可以将整个检定校准过程整合到一个计算机软件中去，检定人员只需运行软件即可，甚至无需在现场，一方面可以减少检定人员的工作强度，另一方面还可以排除测量过程中的人为因素引起的误差甚至差错。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1显示现有活塞压力计检定校准装置的示意图；

图2显示根据示例性实施例的活塞压力计检定校准装置的示意图；

图3显示采用根据示例性实施例的活塞压力计检定校准方法，采集到的压力传感器读数；

图4显示应用根据示例性实施例的活塞压力计检定校准装置和传统活塞压力计检定校准装置得到的待校准活塞压力计的有效面积的结果。

主要附图标记如下：

1-闸阀，2-闸阀，3-闸阀，4-闸阀，5-标准活塞压力计，6-压力源，7-待校准活塞压力计；

11-闸阀，12-闸阀，13-闸阀，14-三通阀，15-标准活塞压力计，16-压力源，17-待校准活塞压力计，P-压力传感器。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

为了克服现有技术的缺陷，本公开提出一种活塞压力计检定校准装置。图2显示根据示例性实施例的活塞压力计检定校准装置，其包括标准活塞压力计15、压力源16、闸阀11、闸阀12、闸阀13、三通阀14以及压力传感器P。

三通阀14的三个端口分别连接至待校准活塞压力计17、标准活塞压力计15和压力传感器P，通过控制三通阀14可以连通标准活塞压力计15和压力传感器P，或者连通待校准活塞压力计17和压力传感器P。标准活塞压力计15依次通过闸阀12和闸阀11与压力源16连通，待校准活塞压力计17依次通过闸阀13和闸阀11与压力源16连通。闸阀11至13均有打开和关闭两种状态，可分别连通或隔断闸阀两端管路中的工作介质。压力源可为管路中的工作介质提供压力。

三通阀14可将压力传感器P与标准活塞压力计15连通，或将压力传感器P与待校准活塞压力计17连通，而标准活塞压力计15与待校准活塞压力计17始终是隔开的。通过切换三通阀14，可以通过压力传感器P读取标准活塞压力计端的压力值p_s，和待校准活塞压力计端的压力值p_t。

作为优选方案，闸阀11至13以及三通阀14可采用气动阀门，从而可通过电磁阀控制闸阀11至13的打开和关闭，以及控制三通阀14在标准活塞压力计15和待校准活塞压力计17之间的切换。电磁阀与数据采集卡相结合，则可通过计算机控制闸阀11至13的打开和关闭以及三通阀14的切换，实现闸阀操作的自动控制。

作为优选方案，压力传感器P的量程应配合待校准活塞压力计17的量程。例如，如果待校准活塞压力计17的量程是1MPa，那么选择的压力传感器P的量程应不低于1MPa，但也不能超过太多，因为量程越大，分辨率越低。

作为优选方案，压力传感器P的分辨率应根据所需的校准精度进行选择，可比待校准活塞压力计17所需的校准精度高一个量级。例如待校准活塞压力计17需要达到0.01％的校准精度，那么可选择分辨率为0.001％的压力传感器，这样能够保证校准的精确性。

压力传感器P的采样频率一般与其分辨率相关，分辨率越高，采样频率越低。以Paroscientific745压力传感器为例，分辨率为8×10^-5时，采样频率为60Hz；分辨率为1×10^-5时，采样频率为8Hz；分辨率为1×10^-6时，采样频率为0.8Hz。因此在实际操作中，可结合压力传感器P的分辨率来选择其采样频率。

作为优选方案，压力传感器P带有计算机通讯接口，例如RS232接口，可通过计算机采集压力传感器P的数据。

以下详细描述采用根据示例性实施例的活塞压力计检定校准装置的活塞压力计检定校准方法。

检定校准之前，闸阀11、闸阀12、闸阀13均处于关闭状态。

开始检定校准时，首先根据选取的校准压力值，在标准活塞压力计15和待校准活塞压力计17上加载相应的砝码。可根据校准压力值和活塞的名义有效面积，通过公式(1)计算加载在标准活塞压力计15上的砝码质量m_s和加载在待校准活塞压力计17上的砝码质量m_t。其中，活塞的名义有效面积是指活塞有效面积的近似值，为已知量。例如活塞有效面积的精确值为4.987654cm²，其名义有效面积为5cm²。

然后，打开闸阀11和闸阀12，通过压力源16使标准活塞压力计15的活塞升至工作位置，然后关闭闸阀12，此时标准活塞压力计15处于平衡状态。

然后，对闸阀13进行同样的操作，即打开闸阀13，通过压力源16使待校准活塞压力计17的活塞升至工作位置，然后关闭闸阀13，此时待校准活塞压力计17处于平衡状态。

操作三通阀14，使压力传感器P与标准活塞压力计15连通，记录压力传感器P的压力值p_s；然后操作三通阀14，使压力传感器P与待校准活塞压力计17连通，记录压力传感器P的压力值p_t。

最后，基于砝码质量m_s、砝码质量m_t、压力值p_s、压力值p_t以及标准活塞压力计的有效面积A_s，通过以下公式(3)计算得到待校准活塞压力计17的有效面积A_t：

$A_t=\frac{m_t{A}_s}{m_s+k(p_t-p_s)A_s/g}---\left(3\right)$

其中m_s是加载在标准活塞压力计15上的砝码质量，m_t是加载在待校准活塞压力计17上的砝码质量，p_s是标准活塞压力计端的压力值，p_t是待校准活塞压力计端的压力值，A_s是标准活塞压力计15的有效面积，k是压力传感器P的线性系数。线性系数k需要通过标准活塞压力计进行标定，一般来说k非常接近于1，如果所需的校准精度容许，k可取为1。

作为优选方案，可多次重复连通压力传感器P与标准活塞压力计15和连通压力传感器P与待校准活塞压力计17的过程，采集多个读数p_s与p_t，并取多个读数p_s的平均值以及多个读数p_t的平均值，代入公式(3)中进行计算，以减小随机误差，获得更好的准确性。在优选情况下，可重复这一过程3至5次。

在公式(3)中略去了相关修正项。作为优选方案，根据所需的校准精度，公式(3)中可附加相应的修正系数。例如当考虑空气浮力修正时，砝码质量可附加修正系数1-ρ_a/ρ，其中ρ_a是空气密度，ρ是砝码密度，那么经过修正的公式(3)转化为以下公式(4)：

$A_t=\frac{(1-{\mathrm{\ρ}}_a/\mathrm{\ρ})m_t{A}_s}{(1-{\mathrm{\ρ}}_a/\mathrm{\ρ})m_s+k(p_t-p_s)A_s/g}---\left(4\right)$

当考虑流体高度差修正时，公式(3)的分母应加上一项(ρ_f-ρ_a)hA_s，其中ρ_a是空气密度，ρ_f是流体介质密度，h是高度差，那么经过修正的公式(3)转化为以下公式(5)：

$A_t=\frac{m_t{A}_s}{m_s+k(p_t-p_s)A_s/g+({\mathrm{\ρ}}_f-{\mathrm{\ρ}}_a){\mathrm{hA}}_s}---\left(5\right)$

根据示例性实施例的方法需要压力传感器P有较高的分辨率和短期稳定性，而目前压力传感器的技术水平完全可以满足这一要求，可以从市场上获得满足要求的产品。这一方法本质上是在短时间内用压力传感器去比较两边活塞压力计产生的压力值，这样就不需要两边的活塞压力计达到压力平衡的状态，也就不需要反复调整加载在活塞压力计上的砝码质量。更为重要的是，压力传感器的读数可以通过其通讯端口用计算机自动采集，检定人员只需操作电脑即可完成测量，大大减少工作强度，并提高工作效率和准确性。更进一步，管路中的闸阀、压力设定和采集、以及活塞上砝码的加载都可实现自动控制，这样可以将整个检定校准过程整合到一个计算机软件中去，检定人员只需运行软件即可，甚至无需在现场。根据示例性实施例的活塞压力计检定校准装置及方法由于采用了压力传感器，使得活塞压力计的自动化检定校准成为可能。自动化方法可以减少检定人员的工作强度，还可排除测量过程中的人为因素引起的误差甚至差错。

应用示例

在本示例中，活塞压力计检定校准装置采用两台Ruska2465型活塞压力计(气体介质，1.4MPa量程)分别作为标准活塞压力计和待校准活塞压力计，采用Paroscientific6000-200G型压力传感器(气体介质，1.4MPa量程)，采用Labview软件编制相应的数据采集程序。图3是在80kPa的压力下，压力传感器采集到的两边活塞压力计的压力读数，1分钟之内即可完成检定校准过程。

为了验证根据示例性实施例的活塞压力计检定校准装置的准确性，在多个压力点下通过传统的活塞压力计检定校准装置和根据示例性实施例的活塞压力计检定校准装置进行了完整的测量。图4显示应用两种装置得到的待校准活塞压力计的有效面积的结果。可以看出应用两种装置得到的结果非常接近，而且它们的差异在合理的误差范围之内，因此根据示例性实施例的活塞压力计检定校准装置和方法是可靠的。应用根据示例性实施例的活塞压力计检定校准方法，整个测量过程只需1小时左右，实验人员只需要操作软件，而应用传统的方法，整个测量过程需要至少6个小时，实验人员需要花费大量精力记录数据，改变砝码质量等。因此根据示例性实施例的活塞压力计检定校准方法大大提高了工作效率，同时准确性也没有降低。

上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种活塞压力计检定校准装置，包括标准活塞压力计(15)、压力源(16)、第一闸阀(11)、第二闸阀(12)、第三闸阀(13)、三通阀(14)以及压力传感器(P)，其中所述三通阀(14)的三个端口分别连接至待校准活塞压力计(17)、标准活塞压力计(15)和压力传感器(P)，通过控制所述三通阀(14)能够连通所述标准活塞压力计(15)和压力传感器(P)，或者连通所述待校准活塞压力计(17)和压力传感器(P)，所述标准活塞压力计(15)依次通过所述第二闸阀(12)和第一闸阀(11)与所述压力源(16)连通，所述待校准活塞压力计(17)依次通过所述第三闸阀(13)和第一闸阀(11)与所述压力源(16)连通。

2.根据权利要求1所述的活塞压力计检定校准装置，其中所述第一闸阀(11)、第二闸阀(12)、第三闸阀(13)以及三通阀(14)是气动阀门。

3.根据权利要求2所述的活塞压力计检定校准装置，其中通过电磁阀控制所述第一闸阀(11)、第二闸阀(12)和第三闸阀(13)的打开和关闭，以及所述三通阀(14)在所述标准活塞压力计(15)和待校准活塞压力计(17)之间的切换。

4.根据权利要求1所述的活塞压力计检定校准装置，其中所述压力传感器(P)的量程大于或等于所述待校准活塞压力计(17)的量程。

5.根据权利要求1所述的活塞压力计检定校准装置，其中所述压力传感器(P)的分辨率比所述待校准活塞压力计(17)所需的校准精度高一个量级。

6.根据权利要求1所述的活塞压力计检定校准装置，其中所述压力传感器(P)带有计算机通讯接口。

7.一种利用权利要求1-6中任一项所述的活塞压力计检定校准装置的活塞压力计检定校准方法，包括以下步骤：

步骤1：根据选取的校准压力值，在标准活塞压力计(15)上加载砝码质量m_s，在所述待校准活塞压力计(17)上加载砝码质量m_t；

步骤2：打开第一闸阀(11)和第二闸阀(12)，使标准活塞压力计(15)的活塞升至工作位置，然后关闭第二闸阀(12)；

步骤3：打开所述第三闸阀(13)，使待校准活塞压力计(17)的活塞升至工作位置，然后关闭所述第三闸阀(13)；

步骤4：操作所述三通阀(14)，使得所述压力传感器(P)与所述标准活塞压力计(15)连通，记录所述压力传感器(P)的压力值p_s；

步骤5：操作所述三通阀(14)，使得所述压力传感器(P)与所述待校准活塞压力计(17)连通，记录所述压力传感器(P)的压力值p_t；

步骤6：通过以下公式(3)计算所述待校准活塞压力计(17)的有效面积：

$A_t=\frac{m_t{A}_s}{m_s+k(p_t-p_s)A_s/g}---\left(3\right)$

其中，A_s是所述标准活塞压力计(15)的有效面积，k是所述压力传感器(P)的线性系数。

8.根据权利要求7所述的活塞压力计检定校准方法，其中多次重复所述步骤4和步骤5，并在所述公式(3)中基于多次记录的压力值p_s的平均值和多次记录的压力值p_t的平均值进行计算。

9.根据权利要求7所述的活塞压力计检定校准方法，其中k等于1。

10.根据权利要求7所述的活塞压力计检定校准方法，其中通过修正系数修正所述公式(3)。