差壓變送器在活塞式壓力計量中應用

摘要:活塞式壓力計作為一個壓力量量值傳遞的重要計量標準裝置,其重要性可想而知。但是活塞式壓力計的計量過程對操作者的實際操作等一系列經(jīng)驗積累水平有非常高的要求,且繁雜的操作過程會造成計量工作者的主觀意愿引人其他誤差，影響量值傳遞的正確性。尤其是在活塞調平這一過程中,沒有相當?shù)慕?jīng)驗積累和活塞式壓力計操作手感是根本無法完成的。針對這一難題引入差壓變送器到活塞式壓力計的計量過程中,簡化操作過程,使活塞式壓力計的計量更容易被學習和掌握，保證壓力量量值傳遞的正確可靠。
0引言
　　壓力計量基準器為國家壓力基準裝置,國家壓力基準裝置主要由一套相同結構的5個活塞系統(tǒng)組成甲。壓力工作基準也由0.005級活塞式壓力計構成,其次有0.01級活塞式壓力計、0.02級活塞式壓力計、0.05級活塞式壓力計以及其他壓力計量器具構成了壓力計量器具檢定系統(tǒng)表?；钊綁毫τ嬀哂袦y量范圍寬、測量精度高、結構簡單計量性能穩(wěn)定、易于量值溯源等優(yōu)勢。其作為壓力標準在壓力量量值傳遞中的地位也就可想而知了。因此活塞式壓力計的計量也就變得尤為重要。
1活塞壓力計簡介
　　活塞式壓力計是根據(jù)帕斯卡原理、流體靜力學平衡原理為基礎進行壓力計量的F121。
　　活塞式壓力計主要有活塞系統(tǒng)(活塞和活塞筒組成)、專用砝碼和校驗器3大部件組成?；钊到y(tǒng)作為活塞式壓力計的核心部件,活塞和活塞筒是活塞式壓力計核心數(shù)據(jù)一活塞有效面積的來源;專用砝碼是根據(jù)活塞有效面積與使用地重力加速度經(jīng)過計算,加工的具有固定質量用于復現(xiàn)標準壓力值的圓盤型砝碼[3];校驗器也稱為造壓泵或壓力計底座,主要由壓力泵、連接管和閥門組成,用于安裝活塞系統(tǒng)且有造壓功能的裝置。
活塞式壓力計壓力產(chǎn)生的原理如式(1)所示:
P=mg/Ae(1)
　　式中:P為活塞產(chǎn)生的壓力;m為專用砝碼的質量;g為使用地的重力加速度;Ae為活塞的有效面積。
2活塞式壓力計的計量
　　結合JJG59-2007《活塞式壓力計檢定規(guī)程》的要求,活塞式壓力計的計量檢定是在相應的環(huán)境條件下(不同精度等級都有與之對應的溫度和濕度要求)進行的,檢定項目主要包括外觀檢查、活塞系統(tǒng)檢查、專用砝碼和稱重盤檢查、活塞有效面積測量、專用砝碼質量測量、垂直度測量、活塞轉動延續(xù)時間測量、活塞轉動下降速度測量、鑒別力測量、密封性檢測、活塞有效面積周期變化率判定。其中活塞有效面積測量是整個活塞式壓力計的計量檢定的核心工作。本文主要針對活塞有效面積測量進行研究。
2.1活塞有效面積測量
　　活塞有效面積測量主要包括直接平衡法和起始平衡法兩種:
　　直接平衡法:1)確定標準活塞式壓力計與被檢活塞式壓力計的活塞及其連接件質量;2)測量兩套活塞式壓力計參考平面的高度差;3)開始平衡點的測量,第一平衡點壓力值一.般選擇活塞式壓力計測量范圍上限的10%~20%,分別在兩套壓力計上加載相應的專用砝碼，校驗器加壓使標準與被檢活塞式壓力計都升至工作位置,此過程中兩套壓力計均應以30~60r/min的速度順時針轉動保持在各自的工作位置。如不平衡,在上升活塞上加載相應.的小砝碼,直至平衡。然后以同樣辦法依次升壓、降壓測量其他檢定點,檢定點一般不少于5個。根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算得到被檢活塞的有效面積。
直接平衡法的平衡原理如式(2)所示:
 
　　式中:m標碼:為第i個平衡點標準活塞式壓力計加載的標準砝碼質量;m校碼;為第i個平衡點被檢活塞式壓力計加載的標準砝碼質量;m標話為標準活塞式壓力計活塞及其連接桿質量;m檢活為被檢活塞式壓力計活塞及其連接桿質量;ρ標碼為標準活塞式壓力計加載砝碼的密度;ρ檢碼為被檢活塞式壓力計加載砝碼的密度;ρ標活為標準活塞式壓力計活塞及其連接桿平均密度;ρ檢活為被檢活塞式壓力計活塞及其連接桿平均密度;ρa為空氣密度;p介為活塞式壓力計使用介.質的密度;A標為標準活塞式壓力計的有效面積;A檢i為第i個平衡點計算得到的被檢活塞式壓力計的有效面積;g為當?shù)刂亓铀俣?h為標準活塞式壓力計與被檢活塞式壓力計工作位置的高度差(標準活塞式壓力計工作位置高度減去被檢活塞式壓力計工作位置高度)。
　　被檢活塞式壓力計的有效面積平均值為最終的被檢活塞式壓力計的有效面積如式(3)所示:
 
式中:n平衡點的測量次數(shù)。
　　起始平衡法:1)起始平衡點的確定,一般選擇活塞式壓力計測量范圍上限的10%~20%壓力值的點作為起始.平衡點,分別在兩套壓力計上加載相應數(shù)量的砝碼，校驗器加壓使標準與被檢活塞式壓力計都升至工作位置,此過程中兩套壓力計均應以30~60r/min的速度順時針轉動保持在各自的工作位置,如不平衡,在上升活塞上加載相應的小砝碼,直至平衡。起始平衡后,壓力計上加載的所有砝碼作為起始平衡質量,保持不變;2)以同樣辦法依次.升壓、降壓測量其他檢定點,檢定點一般不少于5個。根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算得到被檢活塞的有效面積。
　　起始平衡法的平衡原理如式(4)所示，
 
　　式中::m標碼(i+1)為第(i+1)個平衡點標準活塞式壓力計加載的標準砝碼質量;m檢碼(i+1)為第(i+1)個平衡點被檢活塞式壓力計加載的標準砝碼質量;m標碼1為起始平衡點標準活塞式壓力計加載的標準砝碼質量;m檢碼1為起始平衡點被檢活塞式壓力計加載的標準砝碼質量;ρ標碼為標準活塞式壓力計加載砝碼的密度;p檢碼為被檢活塞式壓力計加載砝碼的密度;ρa為空氣密度;ρ介為活塞式壓力計使用介.質的密度;A標為標準活塞式壓力計的有效面積;A檢(i+1)為第(i+1)個平衡點計算得到的被檢活塞式壓力計的有效.面積;g為當?shù)刂亓铀俣取?br /> 　　被檢活塞式壓力計的有效面積平均值為最終的被檢活塞式壓力計的有效面積如式(5)所示:
 
式中:n為平衡點的測量次數(shù)。
2.2常用方法的弊端
　　兩種測量方法的關鍵都是每個檢定點通過在上升活.塞上加載小砝碼的方式,使兩套活塞式壓力計同時達到各自的平衡位置(工作位置)。這也是在實際操作過程中的難點,其主要依靠活塞位置指示裝置來實現(xiàn)的,活塞位置指示裝置最常用的有燈影位置指示和電磁位置指示兩種。長時間盯著燈影或指示表針，而且要用調整砝碼的方法使燈影或指示表針在每個檢定點上都達到固定的指示位置視為是達到每套活塞的各自平衡位置。此過程中存在的問題包括:
1)長時間盯著燈影或指示表針進行調整,會對調整者造成視覺疲勞,進而引人誤差;
2)目測燈影或指示表針的方法,自身讀數(shù)存在誤差較大,操作者的主觀意愿影響也會引入一定誤差;
3)目測燈影或指示表針的方法調整過程中,由于沒有明確的壓力值指示,不能實現(xiàn)快速調整砝碼質量達到每套活塞各自平衡位置。加之存在活塞下降速度的影響,會出現(xiàn)需要反復加壓使活塞達到工作位置。沒有長時間的活塞計量檢定經(jīng)驗和活塞調整手感就很難調整出每套活塞各自平衡位置。
　　以上問題就造成了,活塞式壓力計的計量需要有豐富的經(jīng)驗積累和很好的活塞調整手感的計量工作者才能進行,對于只有理論知識積累而實際操作經(jīng)驗積累不是很充分的計量工作者來說這項工作就變的非常困難。
2.3差壓變送器的應用
　　差壓變送器在活塞式壓力計計量中應用示意圖如圖1所示,在測量每-一個平衡點時方法測量如下。
 
1)打開平衡閥，上兩套活塞的介質達到連通狀態(tài),差壓變送器指示為0(可以是電流輸出mA顯示4.000或壓力輸出kPa顯示0.000)[7]。
2)在標準活塞系統(tǒng)和被檢活塞系統(tǒng)上加載對應砝碼,然后使用任意一個校驗器對于連通的兩套活塞系統(tǒng)進行加壓,使其中一個活塞系統(tǒng)達到活塞指示裝置指示的工作位置(以30~60r/min的速度順時針轉動),另外一個活塞系統(tǒng)稍微超出工作位置。
3)關閉平衡閥,在超出工作位置的活塞系統(tǒng)上加載小砝碼,差壓變送器會有數(shù)值顯示上的變化,隨即調整加載砝碼--側的校驗器,兩者交替操作，使被調整的活塞系統(tǒng)達到工作位置(以30~60r/min的速度順時針轉動),同時差壓變送器指示為0-。
4)打開平衡閥,標準活塞系統(tǒng)和被檢活塞系統(tǒng)都處.于工作位置(均以30~60r/min的速度順時針轉動),對以上方法進行驗證,在原始記錄上記錄該點加載砝碼質量。依據(jù)以上方法再進行下一平衡點的測量。直至完成每一個平衡點的測量,處理數(shù)據(jù)就可以得到被檢活塞系統(tǒng)的活塞有限面積。
使用此方法在活塞式壓力計計量中的應用主要有以下注意事項:
1)差壓變送器的選型,相同精度等級的壓力變送器,量程越大,誤差越大;量程越小，可操作范圍越小[10]。所以在差壓變送器誤差符合被計量活塞式壓力計精度要求的情況下,量程越大,可操作范圍越大,越便于使用,操作更簡單、更安全。
2)差壓變送器的安裝,差壓變送器必須設置有一個相對固定安裝平臺,使差壓變送器的安裝在測量過程中不發(fā)生位置變化,不存在外力影響,保證輸出結果的正確率。
3應用比對
　　為了直觀得到應用差壓變送器的方法在活塞有效面積測量中的優(yōu)勢,對本計量機構2~3月份的活塞式壓力計的計量任務進行了分配和統(tǒng)計,在兩個月內的活塞式壓力計計量任務中,活塞有效面積測量分別隨機規(guī)定測量方案(常用方法或應用差壓變送器方法),并對測量用時情況進行了統(tǒng)計,如表1所示。表1中A為壓力計量工作20年以上的計量工作者,具有熟練操作水平和豐富測量經(jīng)驗;B為壓力計量工作6年的計量工作者;C為壓力計量工作剛1年的計量工作者。
 
　　表1中∞表示使用對應方法進行測量,但長時間無法完成此項工作。由表1可知在活塞有效面積測量中引人應用差壓變送器的方法不但極大的提高了工作效率,而且.使活塞有效面積測量操作變的更直觀,易于掌握。
4結論
　　差壓變送器應用于活塞壓力計的計量中主要可以幫助新進的計量工作者迅速掌握活塞式壓力計計量的操作方法,快速上崗,快速上手工作;可以簡化活塞式壓力計計量中,活塞系統(tǒng)平衡調整中繁雜的工作量;可以避免長時間盯著活塞位置指示裝置而引起操作者主觀因素引入的誤差。因此差壓變送器在活塞式壓力計計量中的應用很有必要在計量部門進行大面積推廣。