張金亮

(山西省計(jì)量科學(xué)研究院，山西太原030032)

0 引言

氣體活塞式壓力計(jì)是基于流體靜力學(xué)平衡原理和帕斯卡定律而進(jìn)行壓力計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)儀器。利用了氣體靈敏度高、流動(dòng)性強(qiáng)、摩擦阻力小、容易控制等特點(diǎn)。氣體活塞式壓力計(jì)靈敏閾高、誤差極小、無(wú)污染、檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，是一款高準(zhǔn)確度壓力計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，一般由活塞系統(tǒng)、專用砝碼、壓力校驗(yàn)器組成，可進(jìn)行表壓和絕壓的測(cè)量和校準(zhǔn)。其中，專用砝碼是溯源到質(zhì)量的。在質(zhì)量的計(jì)量中，砝碼質(zhì)量有折算質(zhì)量和真空中質(zhì)量?jī)煞N表達(dá)方式，在氣體活塞式壓力計(jì)壓力專用砝碼的檢定中，一般均給出其折算質(zhì)量。根據(jù)JJG 1086-2013《氣體活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程》，專用砝碼質(zhì)量、活塞及其連接件質(zhì)量為真空中質(zhì)量，因此，需對(duì)其折算質(zhì)量與真空中質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算修正。本文從折算質(zhì)量與真空中質(zhì)量的概念出發(fā)，對(duì)活塞及其連接件、專用砝碼質(zhì)量對(duì)氣體活塞式壓力計(jì)壓力值的影響作了詳細(xì)的分析。

1 氣體活塞式壓力計(jì)工作原理

1.1 氣體活塞式壓力計(jì)工作原理

氣體活塞式壓力計(jì)工作原理是根據(jù)靜力學(xué)平衡原理和帕斯卡定律，由加放在活塞上的已知作用力G(專用砝碼產(chǎn)生的重力)，與作用于已知活塞有效面積A 上的被測(cè)壓力p 所產(chǎn)生的力相平衡。其平衡方程如式(1)所示。

式中:p 為被測(cè)壓力值，Pa;G 為專用砝碼產(chǎn)生的重力;A 為活塞有效面積值，m2;m0為活塞桿本身質(zhì)量值(真空中質(zhì)量)，包括0 號(hào)砝碼，kg;mi為專用砝碼質(zhì)量值(真空中質(zhì)量)，kg;g 為使用地點(diǎn)的重力加速度，m/s2。

由式(1)可以看出，被測(cè)壓力值p 的準(zhǔn)確度與專用砝碼產(chǎn)生的重力及活塞的有效面積值有關(guān)，而影響專用砝碼產(chǎn)生的重力的因素有活塞桿本身(包括0 號(hào)砝碼)以及專用砝碼的質(zhì)量、重力加速度、空氣浮力等。

1.2 氣體活塞式壓力計(jì)砝碼計(jì)量性能要求

根據(jù)JJG 1086-2013《氣體活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程》要求:壓力計(jì)活塞及其連接件質(zhì)量和專用砝碼質(zhì)量的最大誤差應(yīng)符合表1 的規(guī)定。承重盤(pán)和專用砝碼上應(yīng)標(biāo)有產(chǎn)品編號(hào)、標(biāo)稱壓力值或標(biāo)稱質(zhì)量值，標(biāo)稱值相同的專用砝碼上還應(yīng)標(biāo)有順序編號(hào);各塊專用砝碼的凹凸面必須能正確配合，不得過(guò)松或過(guò)緊，并能保持同心，取、放自如;如果承重盤(pán)或?qū)Ｓ庙来a上有調(diào)整腔，調(diào)整塞的上表面不得高于砝碼或承重盤(pán)的表面，壓力計(jì)專用砝碼應(yīng)使用無(wú)磁金屬材料。

表1 活塞及其連接件質(zhì)量和專用砝碼質(zhì)量最大允許誤差

2 折算質(zhì)量與真空中質(zhì)量的概念及其修正

2.1 折算質(zhì)量與真空中質(zhì)量

真空中質(zhì)量即砝碼在真空中測(cè)定的真實(shí)質(zhì)量。

折算質(zhì)量的定義:一物體在約定溫度和約定密度的空氣中，與一約定密度的標(biāo)準(zhǔn)器達(dá)到平衡，則標(biāo)準(zhǔn)器的質(zhì)量即為該物體的折算質(zhì)量。約定溫度tr為20 ℃;約定的空氣密度ρ0為1.2 kg/m3;砝碼折算質(zhì)量的約定密度ρref為8000 kg/m3。即當(dāng)一只實(shí)際砝碼與另一材料密度為8000 kg/m3的假想砝碼，在空氣密度為1.2 kg/m3的條件下相平衡，則后者在真空中的質(zhì)量值就是前者的折算質(zhì)量。

折算質(zhì)量值mc與真空中質(zhì)量值m 的關(guān)系見(jiàn)公式(2)。

式中:mc為折算質(zhì)量;m 為真空中質(zhì)量;ρa(bǔ)為實(shí)際空氣密度;ρm為砝碼密度。

2.2 折算質(zhì)量與真空中質(zhì)量的修正

JJG 99-2006《砝碼檢定規(guī)程》7.2.1.3 規(guī)定當(dāng)空氣密度相對(duì)于1.2 kg/m3變化超過(guò)10%時(shí)，被檢砝碼的計(jì)算應(yīng)采用真空質(zhì)量值，折算質(zhì)量值由真空質(zhì)量值計(jì)算而來(lái)。表2 為國(guó)內(nèi)各省市自治區(qū)年平均空氣密度表。

由表2 可知，在我國(guó)主要城市中，有7 個(gè)城市的年平均空氣密度相對(duì)于1.2 kg/m3變化超過(guò)10%。

以1 kg(真空中質(zhì)量)不銹鋼砝碼(密度為7800 kg/m3)為例，計(jì)算這7 個(gè)城市砝碼真空中質(zhì)量與折算質(zhì)量的相對(duì)誤差，結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 國(guó)內(nèi)各省市自治區(qū)年平均空氣密度 kg/m3

如以0.005 級(jí)氣體活塞式壓力計(jì)活塞及其連接件質(zhì)量和專用砝碼質(zhì)量的最大誤差為±0.001%，如果不進(jìn)行折算質(zhì)量與真空中質(zhì)量的換算，則其不滿足要求。因此，當(dāng)空氣密度相對(duì)于1.2 kg/m3變化超過(guò)10%時(shí)應(yīng)進(jìn)行折算質(zhì)量與真空中質(zhì)量的修正。

3 氣體活塞式壓力計(jì)專用砝碼的檢定與修正

根據(jù)JJG 99-2006《砝碼檢定規(guī)程》1.3.9 專用砝碼的定義為:與活塞式壓力計(jì)、測(cè)力計(jì)、張力計(jì)、力矩儀、扭矩儀、測(cè)功機(jī)等儀器配套使用的，或用于檢定標(biāo)準(zhǔn)軌道衡的，由質(zhì)量單位導(dǎo)出的其他量值單位的砝碼。對(duì)于氣體活塞式壓力計(jì)專用砝碼，采用砝碼的真空中質(zhì)量換算成為壓力計(jì)量單位帕，其與質(zhì)量的關(guān)系為。

與此同時(shí)，《砝碼檢定規(guī)程》中規(guī)定，一等砝碼采用真空中質(zhì)量，其余等級(jí)的砝碼均采用折算質(zhì)量，壓力計(jì)量中的活塞式壓力計(jì)的專用砝碼最多也就是相當(dāng)于F2等級(jí)砝碼，按照質(zhì)量的檢定規(guī)程在質(zhì)量檢測(cè)時(shí)給出的質(zhì)量均為折算質(zhì)量，而氣體活塞式壓力計(jì)用于檢定壓力值時(shí)，其專用砝碼質(zhì)量需采用真空中質(zhì)量，因此，專用砝碼質(zhì)量則應(yīng)該進(jìn)行折算質(zhì)量與真空中質(zhì)量的換算。

氣體活塞式壓力計(jì)用于檢定絕壓時(shí)，其專用砝碼質(zhì)量、活塞及其連接件質(zhì)量按公式(3)計(jì)算。

式中:m 為專用砝碼、活塞桿及連接零件的質(zhì)量，kg;p 為被測(cè)壓力值，Pa;A0為被檢壓力計(jì)活塞有效面積，m2;g 為壓力計(jì)使用地點(diǎn)的重力加速度，m/s2。

氣體活塞式壓力計(jì)用于檢定表壓時(shí)，其專用砝碼質(zhì)量、活塞及其連接件質(zhì)量按公式(4)計(jì)算。

式中:m 為專用砝碼、活塞桿及連接零件的質(zhì)量，kg;p 為被測(cè)壓力值，Pa;A0為被檢壓力計(jì)活塞有效面積，m2;ρa(bǔ)為壓力計(jì)周?chē)諝獾拿芏?，kg/m3;ρm為專用砝碼、活塞及其連接件材料密度，kg/m3;g 為壓力計(jì)使用地點(diǎn)的重力加速度，m/s2。

由式(2)，(3)，(4)，我們可以得到當(dāng)用折算質(zhì)量來(lái)表達(dá)砝碼的質(zhì)量時(shí)，活塞式壓力計(jì)產(chǎn)生的壓力P的計(jì)算公式如式(5)，(6)。

絕壓模式為

表壓模式為

表4 列出了不同的質(zhì)量表達(dá)方式(折算質(zhì)量和真空中實(shí)際質(zhì)量)對(duì)幾種常見(jiàn)砝碼材料的活塞式壓力計(jì)所帶來(lái)的影響，兩種方式下，重力加速度為9.8015 m/s2。

氣體活塞式壓力計(jì)壓力專用砝碼均使用不銹鋼材料，而托盤(pán)則使用鋁為材料，由表4 可以看出，不銹鋼由于折算質(zhì)量和真空中質(zhì)量的差異所帶來(lái)的誤差約為0.0004%，因此，其對(duì)0.005 級(jí)氣體活塞式壓力計(jì)的影響可以忽略，而鋁的影響的誤差為0.0294%，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體活塞式壓力計(jì)所允許的誤差。

表4 不同質(zhì)量表達(dá)方式對(duì)不同砝碼材料的活塞式壓力計(jì)所帶來(lái)的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

壓力是質(zhì)量的導(dǎo)出量，氣體活塞式壓力計(jì)壓力專用砝碼是其復(fù)現(xiàn)壓力值的主要來(lái)源，因此，其專用砝碼質(zhì)量計(jì)算的準(zhǔn)確與否，對(duì)氣體活塞式壓力計(jì)的準(zhǔn)確度有著重要的影響。而在砝碼檢定中，有折算質(zhì)量與真空中質(zhì)量?jī)煞N表達(dá)方式，根據(jù)文中所述，折算質(zhì)量與真空中質(zhì)量的差值，受到空氣密度的影響，當(dāng)空氣密度相對(duì)于1.2 kg/m3變化超過(guò)10%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行折算質(zhì)量與真空中質(zhì)量的修正;對(duì)于氣體活塞式壓力計(jì)活塞桿及其連接件質(zhì)量以及壓力專用砝碼質(zhì)量的檢定，其活塞桿及其連接件以及壓力專用砝碼的材質(zhì)對(duì)真空中質(zhì)量與折算質(zhì)量的修正也有著一定的影響，為確保氣體活塞式壓力計(jì)壓力值的準(zhǔn)確度，對(duì)其進(jìn)行檢定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行折算質(zhì)量與真空中質(zhì)量的修正。

［1］國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG99-2006 砝碼檢定規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2007.

［2］國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG1086-2013 氣體活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2013.

［3］姚弘.砝碼［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2007.

［4］李燕華.活塞式壓力計(jì)專用砝碼質(zhì)量在計(jì)算和修正中的問(wèn)題［J］.計(jì)量技術(shù)，2007(4):50-52.