数字式活塞压力计的研制

　　0 引言

　　压力是力学计量的重要参数之一，在科研生产及生活中应用非常广泛。为了保证科研生产工作的安全性，需要对压力仪表进行定期检测和校准。活塞式压力计具有准确度高和长期稳定性好等优点，世界上大部分高级别校准实验室都是以活塞式压力计作为压力计量基准器具的。但由于活塞式压力计的结构原因，使其移动困难，很难进行现场校准; 操作过程中需要不断地搬动砝码，劳动强度大，工作效率较低; 采用标准砝码产生标准压力值，不能对未知的压力值进行测量。

　　数字压力计操作简单方便，便携性好，能数字显示压力，广泛应用于各种现场测试。但其准确度和长期稳定性较差，即使采用性能相对较好的石英谐振传感器作为感压元件，年稳定性也只有 0. 01% 左右。因此，数字压力计只是作为一种测压手段，而无法进行高准确度的量值传递。数字式活塞压力计就是在这样的背景下产生的，其设计思想是将活塞压力计和数字压力计的优点结合起来，既具有活塞压力计高准确度的优点，又具有数字压力计效率高，便于现场校准的优点。

　　1 工作原理

　　数字式活塞压力计的测压原理与一般活塞压力计相同，是以流体静力学平衡原理和帕斯卡定律为基础。它同样包含一组已知有效面积的活塞，所不同的是，它不是用砝码测量活塞另一端所加的压力，而是采用质量传递链中的天平环节，用精密电子天平测量力值，然后通过测得的力值和活塞的有效面积计算压力值。如图 1 所示，在数字式活塞压力计工作时，被测压力 p 通过管路系统导入活塞系统，当电子天平输出的力值 F 稳定时，被测气体压力 p、活塞质量、活塞连接套质量以及力传递系统质量之和与电子天平输出的力值 F 相平衡。其中有效面积是经国家压力基准检定的，活塞质量、活塞连接套质量及力传递系统质量与电子天平输出的力值 F 是已知的，所以产生的压力是可以计算的，具体公式如下:

　　式中: M1为活塞质量，kg; M2为活塞连接套质量，kg; M3为力传递系统质量，kg; Se为活塞有效面积，m2。

　　2 数字式活塞压力计的结构组成和创新技术

　　2. 1 结构组成

　　数字式活塞压力计主要包括活塞系统、旋转系统、力传递系统和电子天平四部分，各部分的作用如下:

　　1) 活塞系统。活塞系统的作用是通过活塞将被测压力转化为电子天平能够测量的力，并将该力准确地传给力传递系统。

　　2) 旋转系统。旋转系统的作用是通过锥齿轮减速器将电机的水平旋转运动转化为活塞竖直方向的旋转运动，以消除数字式活塞压力计工作时活塞受到的侧向力，另外，还要有良好的传动密封功能，以实现数字式活塞压力计的绝压工作模式。