非标介质活塞式压力计校准装置及活塞有效面积检定方法与流程

1.本发明涉及压力计检定的技术领域，尤其涉及一种用于非标介质活塞式压力计的校准装置及活塞有效面积的检定方法。


背景技术：

2.活塞式压力计是一种根据压力定义的原理复现压力量值的计量器具，即一定质量砝码产生的重力作用在活塞的有效面积上产生的压力，压力的大小近似为作用力和有效面积的比值。由于其具有准确度高以及稳定性好等特点，广泛应用于各级社会公用计量标准直及国家基准以及企事业单位最高计量标准，作为这些基准的主标准器，在压力量值传递中起到了举足轻重的作用。因此确保活塞式压力计量值的高效准确传递便成为压力领域法制计量的重中之重。
3.活塞式压力计的核心是活塞系统，包括活塞杆和活塞套筒，两者经过精密加工，准确配合，活塞杆和活塞套筒之间缝隙一般在1～5μm。受到压力时，杆底部受到流体作用，活塞上部受到砝码的重力，当二力平衡时，活塞杆达到平衡状态，悬浮于活塞套筒之中，此时，有mg＝pa，其中m为砝码质量，g为重力加速度，p为所求压力，a为活塞有效面积。该公式由活塞系统运行时的流体力学效应所决定，在活塞杆和活塞套筒配合时，必然存在一定的间隙。同时，间隙上端直接通大气，表压为零，而下端压力即为测试压力p，那么工作介质必然在两端的压差下形成流动，该流动由压差p-0＝p，活塞系统配合长度l，活塞间隙h，工作介质动力粘度μ，活塞杆半径r所决定，由于活塞间隙中的流动为层流，可简化为定长二维圆环内的泊肃叶流动：
4.q＝πprh3(z,p)/(6μl)
5.可见，若活塞根据非标介质而制造时，由于介质粘度不同(μs≠μt)，为保证达到同样的计量指标(活塞下降速度)，活塞系统的间隙与按标准介质制作的活塞系统肯定不相同，此时若把非标准活塞放置于标准介质中，会导致其下降速度偏快(或偏慢)。由于测量活塞有效面积的依据是标准活塞与被检活塞同样不显著的速度下降，为了补偿这一产生的速度差，在测量过程中会调整一定质量的砝码，根据活塞有效面积的测量公式：ms·as-1
＝m
t
·at-1
，最终导致活塞有效面积偏小(或偏大)。因此，不同的工作介质会直接影响活塞有效面积的测量，例如水的运动粘度为1.0mm2/s，变压器油煤油混合物9～12mm2/s，癸二酸二异辛酯20～25mm2/s，某规格的机械润滑油更是达到了164mm2/s，这导致活塞下降速度可能达到几倍甚至几十倍。此外，工作介质的黏度还会对活塞的鉴别力产生影响，最终影响到活塞的灵敏度，有文献使用蓖麻油(800～1000mm2/s)和癸二酸二异辛酯进行比较，发现由于蓖麻油的黏度过高导致无法对于一些高精度、高准确度的压力计量器具进行校检。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种用于非标介质活塞式压力计的校准装置，解决了现有校检平台多是针对标准介质活塞式压力计，无法准确校检非标介质活塞式压力计等问题。
7.本发明可通过以下技术方案实现：
8.一种用于非标介质活塞式压力计的校准装置，包括调压器，所述调压器与储液罐、第一隔离器、第二隔离器分别连通，所述第一隔离器与第一活塞支撑容器连通，所述第二隔离器与第二活塞支撑容器连通，
9.所述第一活塞支撑容器用于承载标准活塞系统及标准介质液体，所述第二活塞支撑容器用于承载被检活塞系统及被检介质液体，所述储液罐用于承载中间介质液体，所述第一隔离器用于承载标准介质液体和中间介质液体，并阻止混入连接管道，所述第二隔离器用于承载中间介质液体和被检介质液体，并阻止混入连接管道，
10.所述调压器用于将中间介质液体输送至第一隔离器、第二隔离器，以配合达到各个校准点所需的压力。
11.进一步，所述第一隔离器、第二隔离器采用相同的结构，包括套装在一起的外套筒和内套管，所述外套筒的底端设置有连接接头，顶端设置有能够拆卸的转接头，通过转接头和外套筒的配合，实现对内套管的密封，所述内套管用于存储中间介质液体，
12.所述转接头与调压器连通，所述连接接头与第一活塞支撑容器或者第二活塞支撑容器连通，
13.在所述连接接头的顶面、对应内套管的内部位置设置有竖直向上的延伸管ⅰ，在所述转接头的底面、对应内套管的内部位置设置有竖直向下的延伸管ⅱ，所述延伸管ⅰ用于将第一活塞支撑容器中的标准介质液体或者第二活塞支撑容器中的被检介质液体输送至内套管的顶部，所述延伸管ⅱ用于将储液罐内部的中间介质液体输送至内套管的底部。
14.进一步，在所述转接头内部设置有排气通道，所述排气通道与内套管连通，其端部设置有排气阀，
15.在所述外套筒的侧壁上开设有多个观察窗口，所述内套管采用透明材料制成，其外表面设置有刻度线。
16.进一步，所述中间介质液体与标准介质液体、被检介质液体均不相容，且密度均大于标准介质液体、被检介质液体的密度。
17.进一步，所述调压器包括四通管，所述四通管分别与加压泵、储液罐、第一隔离器、第二隔离器连通，所述加压泵上设置有手轮；
18.所述第一隔离器、第二隔离器、第一活塞支撑容器、第二活塞支撑容器、储液罐均设置在工作平台上，在所述工作平台的底面设置有多个调平支脚，所述四通管、加压泵均设置在工作平台的底面，手轮设置在工作平台的侧面。
19.进一步，在所述储液罐上设置有泄压阀。
20.一种基于上文所述的用于非标介质活塞式压力计的校准装置的活塞有效面积检定方法，包括以下步骤：
21.步骤一、对第一隔离器、第二隔离器以及附属管道进行排空气处理；
22.步骤二、依据被检非标介质活塞式压力计的量程，设置n个校准点，调整调压器对各个校准点逐一进行调平衡，并记录此时第一隔离器、第二隔离器对应的液面高度以及标准活塞系统、被检活塞系统对应的砝码质量；
23.步骤三、利用如下方程式，计算每个校准点对应的活塞有效面积
[0024][0025]
其中，下标t、s、w分别代表了被检侧、标准侧和造压侧即储液罐侧，ρ表示密度，δm、δh代表从第2至第n个校准点相对第1校准点的砝码增量，即δmi＝m
i-m1、δhi＝h
i-h1，i＝2～n，
[0026]
通过此方法将会计算得n-1个面积值，将其进行算术平均后即得到被检非标介质活塞式压力计的活塞有效面积的测量结果。
[0027]
进一步，若被检非标介质活塞式压力计的测量范围不超过25mpa，所有砝码均无需修正，计算砝码折算质量按如下方程式计算
[0028]
m＝100.015piag-1
[0029]
其中，m表示质量，kg；p表示砝码作用压力，mpa；a表示活塞有效面积，cm2；g表示使用地的重力加速度，kg/m2；
[0030]
若被检非标介质活塞式压力计测量范围超过25mpa，则利用如下方程式进行压力形变补偿以修正砝码折算质量
[0031]
m＝100.015piag-1
]1+(2i-1)λpi]
[0032]
其中，λ表示压力形变系数，pa-1
；pi代表第i块砝码对应产生的理论压力。
[0033]
本发明有益的技术效果在于：
[0034]
1、利用第一隔离器、第二隔离器实现第一活塞支撑容器、第二活塞支撑容器和储液罐之间的连通，再结合调压器实现压力的无缝传递，建立校准非标介质即特殊介质活塞式压力计的检定平台，弥补了非标介质活塞式压力计检定的空白，提高了非标介质活塞式压力计检定的校准精度，更好地满足客户的需求。
[0035]
2、借助隔离器的特殊结构即相互交错朝向端部延伸的延伸管ⅰ、延伸管ⅱ，将中间介质与标准介质或者被检介质分别从内套管的底部和顶部注入，并且由于三种介质的不相容以及密度区别，能够防止介质互相污染，以及混入连接管路，提高了校准的准确性。
[0036]
3、整套装置分为标准侧、被校测、造压侧即储液罐+调压器三部分，采用特有的模块化可拆卸设计，隔离器、活塞支撑容器、附属管路皆可拆卸并清洗，满足了多介质校准的需求，扩大了应用范围。
[0037]
4、针对多介质系统存在密度差的问题，本发明在现有的活塞有效面积测量模型引入了修正项，并提出了新的数学模型，提高了活塞有效面积的测量精度。
附图说明
[0038]
图1为本发明的总体结构示意图；
[0039]
图2为本发明的管路连接的结构示意图；
[0040]
其中，1-调压器，2-储液罐，3-第一隔离器，31-延伸管ⅰ，32-延伸管ⅱ，4-第二隔离器，5-第一活塞支撑容器，6-第二活塞支撑容器，7-工作平台，8-泄压阀。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
[0042]
如图1所示，本发明提供了一种用于非标介质活塞式压力计的校准装置，包括调压
器1，该调压器1与储液罐2、第一隔离器3、第二隔离器4分别连通，该第一隔离器3与第一活塞支撑容器5连通，该第二隔离器4与第二活塞支撑容器6连通，该第一活塞支撑容器5用于承载标准活塞系统及标准介质液体，该第二活塞支撑容器6用于承载被检活塞系统及被检介质液体，该储液罐用于承载中间介质液体，该第一隔离器3用于承载标准介质液体和中间介质液体，并阻止混入连接管道，该第二隔离器4用于承载中间介质液体和被检介质液体，并阻止混入连接管道，该调压器1用于将中间介质液体输送至第一隔离器3、第二隔离器4，以配合达到各个校准点所需的压力。借助第一隔离器、第二隔离器，使储液罐内部的中间介质液体分别与被检活塞系统对应的被检介质液体、标准活塞系统对应的标准介质液体连通，建立非标介质活塞式压力计检定的物理平台，再利用调压器根据各个校准点要求控制中间介质液体的输入量，完成检定，弥补了非标介质活塞式压力计检定的空白，提高了非标介质活塞式压力计检定的校准精度，更好地满足客户的需求，同时还可以研究介质对活塞有效面积的影响，扩大了本发明的校准装置的应用范围。
[0043]
具体如下：
[0044]
针对标准介质活塞系统和非标介质活塞系统，本发明的校准装置设计了两套连接通路，它们分别被安装在工作平台7顶面的两侧，其中第一隔离器3、第一活塞支撑容器5对应标准介质活塞系统，第二隔离器4、第二活塞支撑容器6对应非标介质活塞系统，储液罐2也设置在工作平台7的顶面，其上安装有泄压阀8，在工作平台7的底面设置有调压器1，该调压器1包括四通管，可以将四通管连通在储液罐的底部，剩余的三个接口分别连通加压泵、第一隔离器3、第二隔离器4，该加压泵采用柱状结构，调节端设置有手轮，该手轮裸漏在工作平台的侧面，便于手动调节，在工作平台7底面的四周设置有多个调平支脚，最后通过耐压软管将第一隔离器3、第一活塞支撑容器5和第二隔离器4、第二活塞支撑容器6分别连通，建立非标介质活塞式压力计的校准装置。
[0045]
使用本发明的校准装置前，需先确定使用的介质a、b、c，其中a为标准活塞系统对应的标准介质、b为中间介质、c为被检活塞系统对应的被检介质。当使用0.1～6mpa的标准活塞式压力计校准时，介质a使用变压器油煤油混合油，而当需要使用1～60mpa标准活塞式压力计时，a采用癸二酸二异辛酯，介质b的选择需根据a、c来确定，基本要求为与a、c均不相容，且密度大于a、c。
[0046][0047]
为了便于共同承载中间介质与被检介质或者标准介质，避免它们混入连接管路，增加清洗工作量，甚至影响校准精度，我们设计了隔离器，该第一隔离器3、第二隔离器4采用相同的结构，包括套装在一起的外套筒和内套管，该内套管用于存储中间介质液体，在外套筒的底端设置有连接接头，顶端设置有能够拆卸的转接头，可采用螺纹连接，通过转接头和外套筒的配合，实现对内套管的密封，该转接头与调压器连通，该连接接头与第一活塞支撑容器5或者第二活塞支撑容器6连通，均可通过耐压软管连通，该外套筒整体呈u形结构，设置有连接接头的底面平整，装入其中的内套管两头开口，随着转接头的逐渐旋入，内套管
的两个端面逐渐被压实在转接头的端面、外套筒的底面，从而可以实现对内套管的密封，当然也可以在接触位置设置有密封圈，以提高密封性。
[0048]
为了便于液体混入，我们在连接接头的顶面、对应内套管的内部位置设置有竖直向上的延伸管ⅰ31，在转接头的底面、对应内套管的内部位置设置有竖直向下的延伸管ⅱ32，该延伸管ⅰ31用于将第一活塞支撑容器中的标准介质液体或者第二活塞支撑容器中的被检介质液体输送至内套管的顶部，该延伸管ⅱ32用于将储液罐内部的中间介质液体输送至内套管的底部。由于中间介质的密度大于被检介质和标准介质且不相容，进入隔离器后自然会逐渐分开，而借助延伸管ⅱ可以从内套管的底部开始逐渐向上填充，借助延伸管ⅰ可以从内套管的顶部开始逐渐向下填充，正好匹配了中间介质、被检介质和标准介质的特性，从而有效减少甚至避免了中间介质、被检介质和标准介质混入连接管路的可能，避免介质互相污染，提高了校准的准确度。
[0049]
在转接头内部设置有排气通道，该排气通道与内套管连通，其端部设置有排气阀，方便排空内套管里面的气体；在外套筒的侧壁上开设有多个观察窗口，该内套管采用透明材料制成，其外表面设置有刻度线，便于观察内套管里面的液面随着校准点的变化情况和液面读数。
[0050]
利用本发明的校准装置进行校准的工程过程如下：
[0051]
一、前期准备
[0052]
1、首先，确定被检活塞式压力计的测量范围，选取合适的活塞式压力计作为标准器、砝码、隔离器、管路以及其他辅助装置等。
[0053]
2、使用溶剂汽油将活塞系统以及标准侧、被检侧的隔离器、活塞支撑容器、附属管路洗净，洗净后在实验室条件下放置两个小时。
[0054]
3、将第一隔离器、第一活塞支撑容器、第二隔离器、第二活塞支撑容器、储液罐、调压器、附属管路安装至工作平台上，使三者保持联通，须注意隔离器的排气阀需打开通大气且隔离器安装时排空气口侧为上侧。
[0055]
4、将标准侧、被检侧的活塞套筒分别安装至各自活塞支撑容器中，对应的活塞杆先不要装入。
[0056]
5、使用注射器抽取所需介质，从第一活塞支撑容器上口处即装活塞杆处注入，注至介质从第一活塞支撑容器上口溢出或第一隔离器半满处，两个条件满足其一即可；
[0057]
a)若加注时，介质先从第一活塞支撑容器上口溢出，此时装入活塞杆；
[0058]
b)若加注时，介质先到达第一隔离器半满处，先执行后续步骤；
[0059]
c)若被检活塞系统使用水介质，则不需要执行此步骤。
[0060]
6、将关闭储液罐的泄压阀，转动手轮，使用调压泵输送中间介质液体，使其充满第一隔离器和调压泵之间的造压侧管路，将管路中空气排尽后，关闭第一隔离器上的排气阀。
[0061]
7、继续使用调压器向第一隔离器输送中间介质液体，由于中间介质液体重标准介质液体轻，中间介质液体自动地会沉入第一隔离器底部，第一隔离器中的标准介质液体会被挤至上侧，当标准介质液体快要从第一隔离器上侧的排空气口溢出时，关闭排气阀，此时标准介质液体只能被推回第一活塞支撑容器中，当快到从第一活塞支撑容器上口时，装入活塞杆。
[0062]
8、重复步骤5-7安装被检活塞系统。
[0063]
两套活塞系统准备就绪后，对两套活塞系统进行调水平即调节工作平台底面的调平支脚，使得工作平台水平，使用一台条式水平仪放在活塞杆的中央处，造压使一套活塞系统升起，若另一套活塞系统升起则用重物压住，若条式水平仪的水平泡不在中心，则继续利用工作平台底面的调平支脚进行微调。利用同样的方法将另一套活塞系统水平调好。
[0064]
二、调平衡
[0065]
①
、应先确定所要做的校准点，估算出要加的砝码质量，通常为均分六点至实验的压力上限。实验压力上限由两套活塞测量上限的较小者确定。
[0066]
②
、选择0.5、1、2、5kg量级的砝码若干个，先在两套活塞上加载大量级的砝码，轻轻拨动两套活塞系统使其以约60rpm的速度自选，利用造压侧造压，此时有一台活塞必然先会升起，继续在其上面加百克、十克、克级的砝码，直至两台活塞基本同时升起，此时接近平衡点。
[0067]
③
、同时升起后，保持活塞系统自旋的同时，分别用手轻轻拨动，同时配合调压器，使两套活塞升降到各自的工作位置，有工作位置指示刻线的以刻线为准，若没有则以其满升降行程的一半为工作位置，此时会发现两台活塞并非以同样缓慢的速度下降，此时应该在“偏轻”的一侧活塞上继续增加克级、毫克级砝码，直到两侧活塞系统以同样的速度下降为止。
[0068]
④
、当两套活塞系统自旋在工作位置处保持不变或者以同一极缓慢的速度下降时，可认为两活塞已平衡，并记录此时的第一隔离器、第二隔离器的液位高度h
s1
、h
t1
以及砝码质量m
s1
、m
t1
。
[0069]
⑤
、重复步骤
①‑④
，使用同样的方法在剩下的校准点处配平，并记录液位高度和砝码质量。
[0070]
三、活塞有效面积计算
[0071]
被检活塞有效面积按下式计算：
[0072][0073]
其中，下标t、s、w分别代表了被检侧、标准侧和造压侧，ρ表示密度，δm、δh代表从第2至第6个校准点相对第1校准点的砝码增量，即δmi＝m
i-m1、δhi＝h
i-h1，i＝2～6，通过此方法将会计算得五个面积值，将其进行算术平均后即为被检活塞式压力计的活塞有效面积的测量结果。
[0074]
配套砝码的计算质量：
[0075]
若被检非标介质活塞式压力计的测量范围不超过25mpa，所有砝码均无需修正。计算砝码折算质量按下式计算：
[0076]
m＝100.015piag-1
[0077]
其中，m表示质量，kg；p表示砝码作用压力，mpa；a表示活塞有效面积，cm2；g表示使用地的重力加速度，kg/m2；
[0078]
若被检非标介质活塞式压力计测量范围超过25mpa，则应进行压力形变补偿以修正砝码折算质量：
[0079]
m＝100.015piag-1
[1+(2i-1)λpi]
[0080]
其中，λ表示压力形变系数，pa-1
；pi代表第i块砝码对应产生的理论压力。
[0081]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

技术特征：
1.一种用于非标介质活塞式压力计的校准装置，其特征在于：包括调压器，所述调压器与储液罐、第一隔离器、第二隔离器分别连通，所述第一隔离器与第一活塞支撑容器连通，所述第二隔离器与第二活塞支撑容器连通，所述第一活塞支撑容器用于承载标准活塞系统及标准介质液体，所述第二活塞支撑容器用于承载被检活塞系统及被检介质液体，所述储液罐用于承载中间介质液体，所述第一隔离器用于承载标准介质液体和中间介质液体，并阻止混入连接管道，所述第二隔离器用于承载中间介质液体和被检介质液体，并阻止混入连接管道，所述调压器用于将中间介质液体输送至第一隔离器、第二隔离器，以配合达到各个校准点所需的压力。2.根据权利要求1所述的用于非标介质活塞式压力计的校准装置，其特征在于：所述第一隔离器、第二隔离器采用相同的结构，包括套装在一起的外套筒和内套管，所述外套筒的底端设置有连接接头，顶端设置有能够拆卸的转接头，通过转接头和外套筒的配合，实现对内套管的密封，所述内套管用于存储中间介质液体，所述转接头与调压器连通，所述连接接头与第一活塞支撑容器或者第二活塞支撑容器连通，在所述连接接头的顶面、对应内套管的内部位置设置有竖直向上的延伸管ⅰ，在所述转接头的底面、对应内套管的内部位置设置有竖直向下的延伸管ⅱ，所述延伸管ⅰ用于将第一活塞支撑容器中的标准介质液体或者第二活塞支撑容器中的被检介质液体输送至内套管的顶部，所述延伸管ⅱ用于将储液罐内部的中间介质液体输送至内套管的底部。3.根据权利要求2所述的用于非标介质活塞式压力计的校准装置，其特征在于：在所述转接头内部设置有排气通道，所述排气通道与内套管连通，其端部设置有排气阀，在所述外套筒的侧壁上开设有多个观察窗口，所述内套管采用透明材料制成，其外表面设置有刻度线。4.根据权利要求1所述的用于非标介质活塞式压力计的校准装置，其特征在于：所述中间介质液体与标准介质液体、被检介质液体均不相容，且密度均大于标准介质液体、被检介质液体的密度。5.根据权利要求1所述的用于非标介质活塞式压力计的校准装置，其特征在于：所述调压器包括四通管，所述四通管分别与加压泵、储液罐、第一隔离器、第二隔离器连通，所述加压泵上设置有手轮；所述第一隔离器、第二隔离器、第一活塞支撑容器、第二活塞支撑容器、储液罐均设置在工作平台上，在所述工作平台的底面设置有多个调平支脚，所述四通管、加压泵均设置在工作平台的底面，手轮设置在工作平台的侧面。6.根据权利要求5所述的用于非标介质活塞式压力计的校准装置，其特征在于：在所述储液罐上设置有泄压阀。7.一种基于权利要求1所述的用于非标介质活塞式压力计的校准装置的活塞有效面积检定方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、对第一隔离器、第二隔离器以及附属管道进行排空气处理；步骤二、依据被检非标介质活塞式压力计的量程，设置n个校准点，调整调压器对各个校准点逐一进行调平衡，并记录此时第一隔离器、第二隔离器对应的液面高度以及标准活
塞系统、被检活塞系统对应的砝码质量；步骤三、利用如下方程式，计算每个校准点对应的活塞有效面积其中，下标t、s、w分别代表了被检侧、标准侧和造压侧即储液罐侧，ρ表示密度，δm、δh代表从第2至第n个校准点相对第1校准点的砝码增量，即δm
i
＝m
i-m1、δh
i
＝h
i-h1，i＝2～n，通过此方法将会计算得n-1个面积值，将其进行算术平均后即得到被检非标介质活塞式压力计的活塞有效面积的测量结果。8.根据权利要求7所述的用于非标介质活塞式压力计的校准装置的活塞有效面积检定方法，其特征在于：若被检非标介质活塞式压力计的测量范围不超过25mpa，所有砝码均无需修正，计算砝码折算质量按如下方程式计算m＝100.015p
i
ag-1
其中，m表示质量，kg；p表示砝码作用压力，mpa；a表示活塞有效面积，cm2；g表示使用地的重力加速度，kg/m2；若被检非标介质活塞式压力计测量范围超过25mpa，则利用如下方程式进行压力形变补偿以修正砝码折算质量m＝100.015p
i
ag-1
[1+(2i-1)λp
i
]其中，λ表示压力形变系数，pa-1
；p
i
代表第i块砝码对应产生的理论压力。

技术总结
本发明属于压力计检定的技术领域，公开了一种用于非标介质活塞式压力计的校准装置，包括调压器，所述调压器与储液罐、第一隔离器、第二隔离器分别连通，所述第一隔离器与第一活塞支撑容器连通，所述第二隔离器与第二活塞支撑容器连通，所述第一活塞支撑容器用于承载标准活塞系统及标准介质液体，所述第二活塞支撑容器用于承载被检活塞系统及被检介质液体，所述储液罐用于承载中间介质液体，所述第一隔离器用于承载标准介质液体和中间介质液体，并阻止混入连接管道，所述第二隔离器用于承载中间介质液体和被检介质液体，并阻止混入连接管道，所述调压器用于将中间介质液体输送至第一隔离器、第二隔离器，以配合达到各个校准点所需的压力。的压力。的压力。


技术研发人员：周宇仁 蒋厚庸 刘燚 刘贝贝
受保护的技术使用者：上海市计量测试技术研究院
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/8/28