一種新型氣體活塞式壓力計的研制

王曉菲　韓　飛　吳洪威

(1.西安交通大學(xué)，西安 710049；2.陜西省計量科學(xué)研究院，西安 710065；3.陜西創(chuàng)威科技有限公司，西安 710100)

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是航空航天技術(shù)的發(fā)展，對低、微壓力和絕對壓力的精密測量提出了更高的要求，所需的壓力傳感器大多數(shù)是測量氣體的壓力和絕對壓力，這就對壓力傳感器的檢定(或校準(zhǔn))工作提出了新的要求，也就是必須提供以氣體為工作介質(zhì)，能夠測量表壓、絕壓、負(fù)壓、差壓和微壓的新型氣體活塞式壓力計。新的壓力表檢定規(guī)程中提出0.25MPa以下測量范圍的壓力表的傳壓介質(zhì)用氣體，因此氣體活塞式壓力計的發(fā)展是計量需要的必然結(jié)果。

1　目前氣體活塞式壓力計的概況

氣體活塞式壓力計一直是國外廠家的天下，市場占有率主要是美國RUSKA公司和美國DHI公司，國內(nèi)企業(yè)目前需求很多，但多數(shù)是購買國外的產(chǎn)品。我國生產(chǎn)氣體活塞式壓力計的企業(yè)都在試制階段，國家質(zhì)檢總局已于2010年4月通過審定并批準(zhǔn)立項，以“國質(zhì)檢量函[2010]193號”文正式下達(dá)制訂任務(wù)。國家標(biāo)準(zhǔn)委員會即全國工業(yè)過程測量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會也已積極制定氣體活塞式壓力計標(biāo)準(zhǔn)，計劃號為2010-1133T-JB。目前氣體活塞式壓力計的檢定規(guī)程已實施。

2　氣體活塞式壓力計工作原理

氣體式活塞壓力計屬于市場上測量精度高、可靠度穩(wěn)定、誤差小的高端計量標(biāo)準(zhǔn)，其原理是活塞系統(tǒng)和加在活塞上砝碼的重量作用在活塞有效面積上所產(chǎn)生的壓力作為標(biāo)準(zhǔn)壓力，通過管路的工作介質(zhì)，將壓力傳遞到精密壓力儀器儀表。它是利用流體靜力平衡原理進(jìn)行壓力測量的計量器具，一般由活塞系統(tǒng)、專用砝碼、壓力校驗器組成，通常用于壓力計量器具的檢定校準(zhǔn)。

3　新型氣體活塞式壓力計的設(shè)計方案

1)目前老式的活塞式壓力真空計進(jìn)行壓力傳遞時，正壓測量必須將活塞頭朝上，負(fù)壓測量時又要把活塞頭翻轉(zhuǎn)下來向下，固定緊后再重新調(diào)整水平，操作很繁瑣，工作效率低下。這個問題的產(chǎn)生其本質(zhì)在于活塞系統(tǒng)正壓和負(fù)壓共有一個壓力罩，故新的氣體活塞的活塞系統(tǒng)的正壓和負(fù)壓采用單獨的壓力罩，互不干擾。由于重力豎直向下，正壓測量時砝碼加在活塞盤上方，故負(fù)壓罩應(yīng)該在下方，將砝碼頂起。而負(fù)壓測量時砝碼吊在活塞盤的下方，這時負(fù)壓壓力罩放在活塞盤上方，就可以直接將砝碼抽起來，這樣的新式測量結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢在于測量正負(fù)壓時不用來回翻轉(zhuǎn)活塞頭，操作方便，減少了用戶在使用時翻轉(zhuǎn)活塞系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，提高效率。此時新的問題又產(chǎn)生了，由于負(fù)壓壓力罩套在活塞托盤上，其體積變得很大，而且要可以來回拆卸，這樣對密封的要求將大大提高。以前的方式只適用于小體積零件的密封，對大零件效果較差。密封性是活塞的最基礎(chǔ)也是最主要的環(huán)節(jié)，密封不好活塞就不能正常使用。為了解決這個問題，本氣體活塞壓力罩的密封采用新的密封方式，正壓壓力罩在上方通過密封圈密封，負(fù)壓壓力罩在下方，利用一套旋緊螺母和密封墊來密封，這樣效果好，而且用戶拆卸也方便。新式測量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　新式測量系統(tǒng)

2)新式活塞桿和活塞筒要解決將正負(fù)壓活塞桿分體式轉(zhuǎn)化為一體式的關(guān)鍵問題。實現(xiàn)一體式的測量方式，正壓和負(fù)壓兩路系統(tǒng)各自獨立的部分和公用部分結(jié)構(gòu)設(shè)計以及如何互相轉(zhuǎn)換成為主要問題。同時新結(jié)構(gòu)的變換，導(dǎo)致原有的密封方式不能使用，必須設(shè)計出新的方式。一體化測量方式如圖2所示。

圖2　一體化測量方式

3)氣體活塞沒有油潤滑以后，活塞桿和活塞筒的表面直接接觸，為干摩擦狀態(tài)，不容易轉(zhuǎn)動。而目前的活塞式壓力真空計由于油的潤滑和活塞桿盤大，雖然有利于活塞的延續(xù)時間，但是重量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出氣體活塞的要求而不能使用。那么如何重新設(shè)計活塞盤的結(jié)構(gòu)，才能使活塞的轉(zhuǎn)動時間和下降速度得到進(jìn)一步的提高成為關(guān)鍵。同時重量的大小又直接影響氣體活塞測量下限的大小，測量下限越低越能體現(xiàn)出該活塞的優(yōu)勢，該項目氣體活塞式壓力計的起點相比原來的40kPa已經(jīng)降低至現(xiàn)在的5kPa，這個參數(shù)可以達(dá)到國內(nèi)的最高水平，其具體要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)根據(jù)氣體活塞式壓力計高精度的要求作出相應(yīng)的提高。新式的氣體活塞式壓力計的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　新式活塞結(jié)構(gòu)

4)目前的油潤滑活塞的研磨工藝已經(jīng)成熟，其研磨的成品間隙和圓柱度要求較低，其靈敏度也較低，延時和下降達(dá)不到無油潤滑氣體活塞系統(tǒng)的高靈敏度。目前我們將活塞桿和活塞筒的研磨精度做出進(jìn)一步的提高，粗糙度達(dá)到鏡面以上。如何達(dá)到如此高的要求，摸索和實驗新的研磨工藝成為關(guān)鍵。

5)系統(tǒng)安全性的保證。油壓活塞式壓力計壓力高達(dá)250MPa,由于油的壓縮系數(shù)比較小，故一直未設(shè)安全裝置，而氣體式活塞壓力計介質(zhì)為高純氮氣，氣體壓縮系數(shù)比較大，使用時壓力最高可達(dá)到7MPa,對氣體來說能達(dá)到如此大的力就如同一個小型炸彈，如果發(fā)生事故后果比較嚴(yán)重。故氣體活塞式壓力計應(yīng)加入安全閥，在系統(tǒng)壓力超過額定壓力時，安全閥自動卸壓，保證用戶安全使用。氣體活塞結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　氣體活塞結(jié)構(gòu)圖

6)以前的真空活塞壓力采用標(biāo)示桿顯示活塞位移，通過人眼對比出位置的高低，這樣產(chǎn)生的誤差較大，不能符合高精度測量的要求。氣體活塞系統(tǒng)采用電子系統(tǒng)顯示活塞位移，利用位移傳感器直接測量活塞桿的高低位置，使位移顯示更加準(zhǔn)確。

7)目前老式的活塞式壓力計在檢定儀表的過程中，壓力儀表每個檢定點檢驗出的數(shù)據(jù)，一般都是人工記錄。新氣體活塞式壓力計采用新的“壓力檢驗系統(tǒng)”，它可以自動進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、自動生成表格、自動進(jìn)行數(shù)據(jù)修約、自動進(jìn)行誤差計算、檢驗數(shù)據(jù)可存儲打印等，加入自動化辦公軟件，可以實現(xiàn)不同種類壓力儀表的壓力測量精度檢驗。

4　新型氣體活塞壓力計的技術(shù)創(chuàng)新

4.1　實現(xiàn)測量系統(tǒng)正負(fù)壓測量不用來回翻轉(zhuǎn)

新式氣體活塞通過兩個活塞壓力罩，一個正壓一個負(fù)壓，同時采用單臂懸掛活塞系統(tǒng)，實現(xiàn)了活塞系統(tǒng)不翻轉(zhuǎn)的功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5　新型活塞結(jié)構(gòu)圖

4.2　氣體活塞的結(jié)構(gòu)為一體式

上端的托盤部分采用過盈式配合，下端通過螺紋配合，形成一體，正壓的砝碼直接加在活塞盤上，負(fù)壓砝碼掛在承重桿上，使用方便。一體化結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

4.3　活塞延時和下降達(dá)到理想值的最佳結(jié)構(gòu)

原來的活塞桿采用硬質(zhì)合金材料，為了減輕重量，新的活塞桿采用碳化鎢材質(zhì)。

4.4　掌握無油潤滑活塞系統(tǒng)的研磨技術(shù)

在新活塞研磨過程中，研磨的磨料和方法已做出質(zhì)的提高，在不斷的實驗和摸索中，已經(jīng)達(dá)到了氣體活塞式壓力計檢定規(guī)程中的要求。研磨流程如圖7所示。

圖6　一體化結(jié)構(gòu)圖

圖7　研磨流程

4.5　系統(tǒng)安全性的保證

氣體式活塞壓力計的工作介質(zhì)為高純氮氣，使用時壓力最高可達(dá)到7MPa，以前的油壓活塞用PC管作為系統(tǒng)壓力連接管，新的活塞系統(tǒng)采用不銹鋼管進(jìn)行連接，最大壓力可達(dá)到15MPa,完全滿足要求。由于其他的部件如過濾器有機(jī)玻璃筒的強度有限，所以在其壓力上線的70%，設(shè)置了自動卸壓裝置，有效地防止了用戶誤操作或者超壓而引發(fā)安全事故。

4.6　電子式活塞位移顯示器

電子位移顯示器對位移的測量準(zhǔn)確度達(dá)到0.05mm，它采用了電渦流式傳感器，可以直接測量到活塞桿的高低位置變化，將其轉(zhuǎn)化為電信號，最終顯示成+1.5到0到-1.5之間的數(shù)字。+1.5設(shè)置為活塞的高位置，0表示中間位置，-1.5表示活塞的最低位置。

4.7　“壓力檢驗系統(tǒng)”軟件的開發(fā)

該軟件可以實現(xiàn)不同種類壓力儀表的測量檢驗，主要由信息管理模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、報表生成模塊構(gòu)成。壓力校驗系統(tǒng)如圖8所示。

圖8　壓力校驗系統(tǒng)

5　新型氣體活塞式壓力計計劃解決的問題

1)實現(xiàn)正負(fù)壓測量不翻轉(zhuǎn)的新式結(jié)構(gòu)。

2)可視過濾系統(tǒng)，以前的過濾器要拆下來才知道污染程度，比較麻煩，同時由于現(xiàn)有的透明材料比較脆，所以過濾系統(tǒng)采用亞克力材質(zhì)能否滿足結(jié)構(gòu)需求還待確定。

3)掌握無油潤滑活塞系統(tǒng)的研磨精度。

4)去掉油的潤滑以后，活塞桿和活塞筒的表面直接接觸，為干摩擦狀態(tài)，不容易轉(zhuǎn)動，保證延續(xù)時間將是一個難題。

5)活塞的下降問題。由于要求活塞的延續(xù)時間要長，故要求其間隙要大，而下降越小則要求其間隙越小，兩者互相矛盾。

6)系統(tǒng)的安全性保證。7MPa的氣體壓力如同一個小型炸彈，如果發(fā)生事故后果比較嚴(yán)重。

7)活塞結(jié)構(gòu)重量要輕的問題。因為活塞式壓力計的測量范圍下限越低，在目前的國際市場上越有競爭力，但是下限越低其重量越小，而對延時是起反作用的，越輕越不利于延續(xù)時間。

6　氣體活塞式壓力計達(dá)到的技術(shù)性能指標(biāo)

1)壓力范圍：-0.1～7MPa。

2)介質(zhì)：純度等于或高于99.99%的氮氣。

3)活塞轉(zhuǎn)動延續(xù)時間。壓力計的活塞轉(zhuǎn)動延續(xù)時間符合表1的規(guī)定。

4)活塞下降速度。壓力計的活塞下降速度符合表2的規(guī)定。

表1　壓力計的活塞轉(zhuǎn)動延續(xù)時間

表2　壓力計的活塞下降速度

5)密封性。在氣體活塞壓力計測量范圍上限試驗壓力下，壓力計校驗器密封性試驗的后5min壓力下降值不超過試驗壓力的2%。

7　結(jié)束語

新型氣體活塞式壓力計實現(xiàn)無油潤滑活塞系統(tǒng)，可以保證活塞高精度量值的傳遞，結(jié)構(gòu)上保證最小最輕，從而達(dá)到了更低的測量范圍下限。同時新出的氣體活塞檢定規(guī)程對活塞轉(zhuǎn)動延續(xù)時間、下降速度、密封性等重要技術(shù)指標(biāo)提出更高的要求，這也是對氣體活塞生產(chǎn)廠家提出了更高的要求。

[1]全國壓力計量技術(shù)委員會,JJG 1086—2013 氣體活塞式壓力計檢定規(guī)程.北京：中國計量出版社，2013

[2]全國壓力計量技術(shù)委員會,JJG 236—2009 活塞式壓力真空計檢定規(guī)程.北京：中國計量出版社，2009

[3]全國壓力計量技術(shù)委員會,JJG 1008—2008 壓力計量名詞術(shù)語及定義.北京：中國計量出版社，2008

[4]蔡慶，悅進(jìn).氣體活塞式壓力計與液體活塞式壓力計的差異.計測技術(shù)，2012(s1)

[5]王陽，等.活塞式壓力計檢定和使用中相關(guān)問題探討.計測技術(shù)，2010(6)

[6]楊坤怡.制造技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，2005：227-230