活塞式压力计检定和使用中相关问题探讨

　　0　引言

　　在压力计量和量值传递中,活塞式压力计由于测量范围宽(从-0·1MPa到2500MPa)、量值准确可靠(最高可达0·002% )、稳定性好(合理保养可以使用30年以上)、溯源方便等特点,被广泛应用,并在力计量技术中占有很重要的地位[1]。2007年国家质量监督检验总局颁布并实施了JJG 59-2007《活塞式压力计》检定规程,活塞式压力计的性能指标都有所提升。近几年来,国内外活塞式压力计型号较多,活塞的尺寸也千差万别,仅仅根据检定规程得到的活塞式压力计检定结果和实际情况有很大差异,这将直接影响到压力量值传递。本文将对活塞式压力计相关检定项目的影响因素进行讨论。

　　1　活塞式压力计的工作原理

　　活塞式压力计是根据帕斯卡定律,以流体静力学原理为基础来进行压力计量的。它是利用活塞、砝码托盘及专用砝码的重力与作用在已知活塞面积上被测压力所产生的力相平衡的原理,从而测出被测压力的。

　　2　相关检定项目分析

　　依据检定规程,活塞转动延续时间、活塞下降速度是活塞式压力计的重要性能参数。下面将讨论影响活塞式压力计这两个性能参数的各相关因素[2]。对于测量上限在6 MPa以下的活塞式压力计,依据检定规程,对砝码、活塞及其连接件的质量只进行了空气浮力修正。但活塞在工作过程中,除了受到重力(向下)、造压介质压力(向上)外,其转动的过程中还受到造压介质对它的粘性阻力、浮力以及表面张力等作用,下面将讨论其在活塞式压力计检定中的影响量。

　　2·1　活塞转动延续时间

　　根据检定规程,活塞式压力计在检定时,活塞应以(20±1) r/10 s的角速度按顺时针方向转动。活塞在转动的过程中,活塞和活塞筒间隙中充满造压介质,所以活塞受到介质对它的粘性力作用,粘性力方向逆时针(与活塞转动方向相反)。它是影响活塞转动延续时间的主要因素。

　　假设活塞的半径为r,造压介质的粘性系数为μ,活塞转动的初速度为ω0,活塞及砝码对其轴线的转动惯量为J (横截面如图1所示)。

　　由于活塞的转动速度是随时间变化的,设在t时刻,其转动速度与时间的函数关系为ω=ω(t)。活塞及砝码初始时刻(t=0)的动能为 t时刻的动能为则时间t内其动能改变量为

式中:τ为流体薄层之间的剪应力, Pa;A为活塞侵入造压介质的外圆柱表面积, m2。

　　由于活塞和活塞筒之间的间隙很小,认为造压介质的速度梯度为一定值[3],所以有

式中:Y为活塞和活塞筒之间的单边间隙; r为活塞半径; v为流体的线速度;ω为流体的角速度; y为径向位移。