關(guān)于使用HART手操器進(jìn)行壓力測(cè)量時(shí)需注意的幾個(gè)問(wèn)題

摘 要 ：介紹了HART手操器的原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，討論了使用HART手操器進(jìn)行壓力測(cè)量時(shí)，專用砝碼質(zhì)量、使用地點(diǎn)重力加速度、高度差、壓力變形等因素對(duì)壓力量值的影響，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確可靠。

0 引言

HART手操器是以帕斯卡定律和流體靜力學(xué)力平衡原理為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量壓力的計(jì)量器具。其工作原理的計(jì)算公式為 p = F/A，即由已知活塞有效面積 A、已知專用砝碼質(zhì)量 F，通過(guò)計(jì)算求得壓力量值 p。HART手操器主要由活塞系統(tǒng)、專用砝碼和校驗(yàn)器組成[1] ，其中活塞系統(tǒng)包含活塞和活塞筒。其原理結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。

由于活塞的有效面積和專用砝碼質(zhì)量可以精que測(cè)量，所以HART手操器的準(zhǔn)確度較高，且具有良好的穩(wěn)定性，在HART手操器量技術(shù)中，通常作為HART手操器量標(biāo)準(zhǔn)器使用。

1 HART手操器在壓力量值傳遞中需注意的幾個(gè)問(wèn)題

HART手操器在使用前都需要送計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行溯源，計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)依據(jù)檢定規(guī)程的要求進(jìn)行各個(gè)項(xiàng)目的檢定或校準(zhǔn)，檢定合格出具檢定證書，校準(zhǔn)證書一般給出活塞的有效面積值、砝碼的實(shí)測(cè)值及其測(cè)量不確定度。工作中遇到很多企業(yè)的技術(shù)人員，他們都能按照計(jì)量管理的要求將設(shè)備按時(shí)送檢，但由于缺乏對(duì)HART手操器的了解認(rèn)為拿到證書就能使用了，導(dǎo)致在使用HART手操器進(jìn)行壓力量值傳遞時(shí)引入了多種系統(tǒng)誤差，使得產(chǎn)品的計(jì)量性能出現(xiàn)偏差，從而在產(chǎn)品的型式評(píng)價(jià)、質(zhì)量抽查、委托計(jì)量檢定中出現(xiàn)問(wèn)題，造成經(jīng)濟(jì)損失。HART手操器在測(cè)量壓力時(shí)的基本公式為：

從式（1）可以看出，實(shí)際使用活塞HART手操器測(cè)量壓力時(shí)要考慮眾多影響因素，下面分別對(duì)幾個(gè)主要問(wèn)題進(jìn)行探討，在使用時(shí)需加以重視。

1.1 專用砝碼質(zhì)量對(duì)壓力量值的影響

公式（1）中的專用砝碼、活塞及連接件總質(zhì)量 m 是指真空中質(zhì)量，但在質(zhì)量室對(duì)砝碼檢定時(shí)，依據(jù)相應(yīng)的檢定規(guī)程，給出的數(shù)據(jù)為砝碼的折算質(zhì)量。真空中質(zhì)量與折算質(zhì)量的換算關(guān)系見(jiàn)公式（2）：

式（2）中，m 為砝碼的真空中質(zhì)量，m c 為砝碼的折算質(zhì)量。目前HART475手操器的專用砝碼材質(zhì)一般為不銹鋼或鋁，由于折算質(zhì)量和真空中質(zhì)量的差異對(duì)壓力量值的誤差分別為 0.0004% 和 0.0294% [2] 。所以需要根據(jù)使用情況，將公式（2）代入公式（1）中對(duì)其進(jìn)行修正和計(jì)算。1.2 使用地點(diǎn)重力加速度對(duì)壓力量值的影響計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)在出具HART手操器檢定證書時(shí)都會(huì)依據(jù) JJG59-2007 附錄 D，給出專用砝碼使用地點(diǎn)的重力加速度值，這也是專用砝碼理論計(jì)算值的依據(jù)。從附錄 D 可以看出，各地的重力加速度都不相同，所以同一組專用砝碼在不同地區(qū)使用時(shí)所得到的壓力量值也是不相同的。例如檢定證書中注明重力加速度值為 9.7946m/s 2 （上海），如果將這臺(tái)設(shè)備移至長(zhǎng)春使用，由于長(zhǎng)春的重力加速度值9.8048m/s 2 ，從而引入的誤差為 0.1%，超過(guò)了HART手操器的#大允許誤差。對(duì)于同一地區(qū)，重力加速度的值也有不同。例如上海某實(shí)驗(yàn)室經(jīng)中國(guó)計(jì)量院現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)后，附錄D 中的參考值與實(shí)測(cè)值的誤差約為 0.004%，這對(duì)于 0.01 級(jí)及以上的HART手操器來(lái)說(shuō)，將會(huì)引入相當(dāng)大的誤差。所以，建議技術(shù)人員根據(jù)HART手操器準(zhǔn)確度等級(jí)及使用情況考慮是否需要聯(lián)系有資質(zhì)的技術(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)重力加速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

1.3 與被測(cè)設(shè)備的高度差對(duì)壓力量值的影響

HART手操器在使用中，還需要考慮與被測(cè)設(shè)備的高度差對(duì)壓力量值的影響。不同結(jié)構(gòu)的活塞系統(tǒng)其參考不同，例如實(shí)心活塞的參考位置位于活塞的下端面（活塞處于工作位置后），一般生產(chǎn)廠家會(huì)在安裝活塞系統(tǒng)的外筒上標(biāo)示出參考位置。對(duì)于被測(cè)設(shè)備：電測(cè)試HART手操器的參考位置一般為感壓元件的位置或廠家標(biāo)明的位置；指針式壓力表的參考位置一般為表盤指針軸處，如圖 2 所示：ΔH即為兩者參考位置的高度差�？梢允褂酶叨瓤ǔ邅�(lái)差進(jìn)行測(cè)量。

由液位高度差引起的壓力值可按照公式（3）計(jì)算：

式（3）中， Δp 為液位高度差引起的壓力值，Pa ；ρ 為工作介質(zhì)密度，kg/m 3 ；g 為使用地點(diǎn)重力加速度，m/s 2 ；ΔH 為壓力表指針軸平面與HART手操器活塞下端面之間的高度差，m。以變壓器油為工作介質(zhì)為例，10mm 液體高度差造成的壓力差值約為 80Pa。則對(duì)于 1MPa 的壓力值，若忽略高度差，引入的誤差約為 0.008%。當(dāng)工作介質(zhì)為氣體時(shí)，由于氣體的密度遠(yuǎn)小于液體的密度，在測(cè)量中經(jīng)常會(huì)忽略氣體高度差的影響。但是由于氣體的可壓縮性，即氣體的密度與壓力成正比，計(jì)算時(shí)可以使用氣體狀態(tài)方程得出不同壓力下氣體的密度值，從而判斷是否應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行高度修正。

1.4 在高壓測(cè)量時(shí)，壓力變形對(duì)壓力量值的影響

在高壓測(cè)量時(shí)，壓力變形對(duì)活塞有效面積的影響是顯著的。JJG59-2007 規(guī)程中規(guī)定，測(cè)量上限大于 25MPa（包括 25MPa）的HART手操器，并用于測(cè)量壓力時(shí)，需要對(duì)壓力變形進(jìn)行修正。

對(duì)于 kg 砝碼，可以將活塞系統(tǒng)的變形系數(shù)代入公式（1）求得實(shí)際壓力值。例如材質(zhì)為碳化鎢、活塞有效面積名義值為 0.05cm 2 的活塞系統(tǒng)，其變形系數(shù)的計(jì)算值約為7×10 -7 MPa -1 ，在 25MPa 壓力測(cè)量點(diǎn)，若忽略壓力變形的影響，引入的誤差約為 0.002%。對(duì)于 MPa 砝碼，需要根據(jù) JJG59-2007 中公式（9）算按照順序加載的每一塊專用砝碼質(zhì)量，當(dāng)用于壓力測(cè)量時(shí)，配套的專用砝碼必須按照順序放置使用。

1.5 其他需注意的影響因素

HART手操器在使用前還需對(duì)活塞系統(tǒng)進(jìn)行水平調(diào)整，否則易造成活塞桿在活塞筒內(nèi)不能正常旋轉(zhuǎn)，增加活塞桿與活塞筒的摩擦，從而影響測(cè)量結(jié)果甚至損壞活塞系統(tǒng)。JJG59-2007 規(guī)程中表 13 規(guī)定了不同準(zhǔn)確度等級(jí)的HART手操器的環(huán)境溫度條件，使用時(shí)環(huán)境溫度若超過(guò)了溫度允許范圍，則需通過(guò)測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)活塞有效面積進(jìn)行溫度修正。

2 結(jié)束語(yǔ)

目前，對(duì)于HART手操器壓力量值影響量的測(cè)量還存在一些問(wèn)題。一是對(duì)于活塞系統(tǒng)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量，目前活塞系統(tǒng)的溫度值主要通過(guò)測(cè)量活塞筒外壁的溫度來(lái)估算，兩者還存在一定的差距。二是對(duì)于變形系數(shù)的計(jì)算，目前主要根據(jù) JJG59-2007 規(guī)程附錄 A 中壓力變形系數(shù)的公式計(jì)算得到，使用該公式需要已知活塞及活塞筒的彈性模量和泊松比，對(duì)此檢定規(guī)程中也用列表的形式給出了常用活塞系統(tǒng)材質(zhì)的彈性模量和泊松比的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是材料中如合金顆粒的粗細(xì)、微量元素的差異和熱處理不同都會(huì)影響其力學(xué)特性，導(dǎo)致理論計(jì)算的變形系數(shù)與實(shí)際值存在差異[4] 。