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一种提高活塞式压力计校准效率的新方法
来源:www.xaxdyb.com
    不论是企业实验室还是政府实验室机构,为了确保压力测量设备的准确度,通常都需要可靠的压力源。他们一般使用活塞式压力计作为这种压力源。活塞式压力计是由一个金属圆柱体作为活塞、一个空心圆柱体作为活塞筒组成的,活塞以可预测的速度穿过活塞筒。美国国家标准与技术研究院(NIST)物理测量实验室(PML)的研究人员为海军、陆军、航空公司和电力公司等多个客户提供活塞式压力计的精确校准服务。

    几十年来,活塞式压力计的校准都要耗费大量的人力来手动完成。但是,最近NIST物理测量实验室的研究人员研发出了一种新的自动化系统,可大大缩短每次校准所需的时间。

    压力是对施加到单位面积的力的量度。对于活塞式压力计,放置在活塞顶部的砝码将活塞向下推,对其产生作用力。那么,受力面积就是活塞的横截面积,对横截面的变形和缺陷进行校正后的面积可称为“有效面积”。因此,活塞式压力计的压力取决于活塞的有效面积和活塞上所放置砝码的质量。

    为了精确测量压力,企业通常采用活塞式压力计作为可靠的压力源。在这段视频中,NIST工作人员Julia Scherschligt演示了如何校准活塞式压力计。该方法是以前的传统手动方法,并不是新的自动化方法。NIST提供的活塞式压力计校准服务的客户包括航空公司、电力公司和军方。

    为了校准客户的压力计,研究人员需要调平两套活塞式压力计产生的压力,一套是客户的被检活塞式压力计,另一套是NIST的标准活塞式压力计。标准压力计的规格尺寸已经过精确测量,因此有效面积非常清楚。然后再将同样经过NIST精确测量的具有相同标称质量的砝码同时置于被检压力计和标准压力计之上。

    标准活塞式压力计的有效面积以及放置在压力计上的砝码质量都是已知的,而客户被检压力计的有效面积则是未知的,也是校准过程中必不可少的一个环节。

    在传统的手动校准方法中,两套压力计都与差压指示仪连接,差压指示仪的刻度盘可显示标准与被检活塞式压力计之间的压力差。调平时,研究人员需要在活塞式压力计的顶部增减不同质量的砝码,有的甚至小至5毫克(mg)。一旦压力达到平衡,研究人员就会记录客户的被检压力计所放置砝码的质量,从而计算有效面积。然后在活塞式压力计测量范围内,取不同压力值重复几次测试,通常为10次。最后,NIST的研究人员会生成一份报告提供给客户,根据该报告,客户可以对活塞式压力计的所有测量结果进行修正。

    这种方法听起来很简单,但实际操作却非常耗时,因为研究人员必须使被检仪表和标准仪表之间达到近乎完美的平衡状态。

    NIST物理测量实验室(PML)的工作人员Julia Scherschligt介绍说:“用传统的方法校准压力计时,你会看到研究人员拿着一把镊子,从盒子里夹起这些微小的砝码,然后一次又一次地把它们放到活塞上。校准过程中需要经常更换砝码,每次都要打开再盖上活塞式压力计,防止气流影响其性能;还要向压力计内充入氮气,防止活塞落到活塞筒的底部;然后手动旋转压力计,防止其结构中的任何轻微瑕疵使结果产生偏差。完成上述这些操作后,技术人员每次都得重新调平,这是最麻烦的事。”

    大约一年前,该团队开始研究一种自动比较的方法,来避免繁琐的调平过程。新方法使用传感器*来比较压力,传感器先对其中一个压力计产生的压力进行采样,然后在几秒内对另一个压力计产生的压力进行采样。工作人员无需增减小砝码,只需将相同质量的标准砝码放在两个压力计的顶部,然后在需要时向每边添加一点氮气。很快,依靠计算机就能自动处理整个校准过程,届时工作人员甚至都不必手动切换氮气开关。

    Scherschligt表示新系统的优点在于传感器本身不需要校准。她说:“该系统是一种能实时将NIST标准活塞式压力计的量值传递到客户的被检压力计的装置。传感器的准确度并不重要,只要它能够对压力变化产生线性响应,哪怕是几个数量级的偏差都不会对结果产生影响。”

    研究人员相信这种新方法能节省大量时间。此外,这种新方法的测量准确度都可达到百万分之几,与传统方法不相上下。

    目前,这种自动化校准系统所涵盖的压力范围最高仅有7MPa(兆帕斯卡,约1000 psi),这意味着压力范围高于7MPa的活塞式压力计仍需手动校准。NIST研究团队计划将目前这个部分自动化校准系统升级到14 MPa(约2000 psi),并继续致力于研制出一个完全自动化的系统。
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