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JJG1086-2013《气体活塞式压力计检定规程》解读

2016-5-26 16:29:40  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  一、引言

  气体活塞式压力计由于具有其特有的优点,使用已经日益广泛,而在《气体活塞式压力计检定规程》制定之前,与活塞式压力计相关的检定规程,都是针对液体介质的活塞式压力计,其计量性能要求和检定方法并不完全适用于气体活塞式压力计,气体活塞式压力计的溯源没有依据。

  2009年,《气体活塞式压力计检定规程》经国家质检总局批准立项制定。经过起草小组的共同努力,规程于2011年年底通过审定,2013年10月4日实施,并于2014年10月由全国压力计量技术委员会组织宣贯。该规程为新制定的国家计量检定规程,为气体活塞式压力计的检定提供了依据。

  二、规程重点内容解读

  在使用本规程时,需要重点关注以下内容,现分别对此进行详细说明。

  1.范围

  本规程的适用对象是气体活塞式压力计,不包括传压介质为气体而活塞系统中的润滑介质为液体的情况,也不包括其他特殊结构的压力计,如力平衡式活塞压力计等。压力计的测量模式可包括正表压、负表压和绝压,但均在正表压参考条件下进行检定。

  本规程规定的测量范围上限依据以下系列进行选择:

  1×10n,1.6×10n,2.5×10n,4×10n,6×10n(MPa)

  目前常见的压力计测量上限一般为7MPa,只有极少数达到10MPa,还有极个别超过10MPa的,综合测量上限系列的划分原则和覆盖面,规定为10MPa。

  本规程规定的测量范围上限为推荐性的,建议厂家按此规定选取,但并不完全排除其他规格的压力计。结合本规程范围的规定和产品现状,n一般取-1、0和1,从而形成的产品规格包括:(0.1、0.16、0.25、0.4、0.6、1、1.6、2.5、4、6、10)MPa。与规定不同的,可以按照接近的技术指标进行考核。

  2.测量范围下限

  测量范围下限的确定主要考虑了满足不确定度要求和满足使用要求。在活塞压力计压力的不确定度分量中,大部分是与压力成正比的,也就是说其相对不确定度是恒定值,而有一些分量的绝对值是恒定值或不与压力成正比,包括高度差引入的不确定度、鉴别阈引入的不确定度和测量绝对压力时参考端压力引入的不确定度,在测量压力越小时这些影响量的相对值就越大,因此如果测量范围下限要满足相应准确度等级要求,则在很大程度上取决于这些量的大小。第二点,满足使用要求主要是指在测量范围内压力计的活塞转动延续时间、下降速度和灵敏度等技术指标应该能保证压力计输出稳定而准确的量值,对于测量范围下限而言,关键是活塞的转动延续时间比较短,造成输出压力不稳定和不准确,所以需要规定一个能满足一般使用要求的转动时间。综合以上两点,测量范围下限由厂家按照压力计的实际情况规定,检定时主要通过活塞转动延续时间和按照测量下限允许误差计算得到的鉴别阈来考核。

  3.活塞有效面积的规定

  本规程4.2中对活塞有效面积大小的规定是希望限制压力计使用不合理的小面积活塞。原因有3点:(1)小面积的活塞在压力平衡实验中一般活塞的起伏波动较大,很难准确测量,鼓励厂家制造具有较大面积活塞系统的压力计;(2)相同测量上限的压力计,如果活塞有效面积不同,会导致转动延续时间不同,此处的规定可以限制生产厂为了达到转动延续时间要求而使用活塞有效面积特别小的压力计;(3)由于有效面积较小,相应的专用砝码质量也较小,容易造成专用砝码的质量最大允许误差很难达到。

  根据经验,标准活塞面积为被测活塞面积的1~10倍均可接受,两倍左右比较理想。

  4.用于测量绝对压力的压力计

  考虑到可操作性,本规程中规定的准确度等级和最大允许误差仅针对表压力测量模式,不包括压力计用于绝对压力测量的情况。

  当活塞式压力计用于绝对压力测量时与测量表压的最大区别在于需要对活塞参考端抽空并测量参考端的真空度,压力计产生的绝对压力可表示为

  

缺插图!

  式中:p——压力计输出的压力值(绝对压力);m——专用砝码质量;g——使用地点的重力加速度;A(t,p)——经过温度和压力形变修正后的活塞有效面积;pref——参考端压力值。pref的误差将直接影响到p,而pref的误差取决于参考端压力值及用于测量该压力值的计量器具的误差,即

  δp=pref×δ(2)

  式中:δp——压力计参考端压力引入的误差,Pa;pref——压力计使用时参考端能达到的压力值,Pa;δ——对应pref,测量参考端压力的计量器具的相对误差。

  参考端能达到的压力取决于抽气系统自身的能力、抽气时间的长短以及系统密封性等因素,在使用中具有很大的不确定性,若规程中的准确度等级将这部分也包含在内,实际是无法考核的。测量参考端压力的计量器具也直接影响参考端压力的准确度,例如,使用一台气体活塞式压力计测量绝压10kPa点,当参考端压力达到10Pa时,若使用最大允差为±1%的薄膜真空计进行测量,由参考端引入的误差为±0.1Pa,相对于10kPa测量点而言,误差是±0.001%;若使用最大允差为±10%的电阻真空计进行测量,则参考端引入的相对误差达到±0.01%。

  因此,本规程仅在附录对参考端引入的误差计算方法作了介绍,使用者根据自己的实际情况自行计算压力计在绝对压力测量模式下的误差。压力计的准确度由使用条件保证,并可以在标准考核中进行考核。

  在使用或检定用于绝对压力测量的气体活塞式压力计时,应特别关注本规程附录D的说明。

  5.活塞转动延续时间

  活塞转动延续时间的测量是在测量范围下限处进行的,目的是能满足使用要求,没有必要对每一个规格的活塞进行详细规定,因而本规程只对某一范围的压力计规定了一个要求。

  规定砝码外径的目的是防止为了达到规定的转动时间,故意加大砝码外径从而增加转动惯量的做法,砝码外径是综合现有产品的尺寸规定的,并规定检定活塞转动时间时使用的专用砝码应该与压力计实际使用情况一致,不能使用特制的专用砝码。

  此外,由于气体活塞式压力计的活塞与活塞筒之间的间隙较小,工作介质和环境中的杂质如果进入间隙中很容易造成活塞转动不灵活,活塞转动时间变短,检定人员需要判断是由于活塞系统进入杂质而使转动时间较短还是活塞系统本身性能不佳造成的。通常来说进入杂质后,活塞转动时会出现在转速较低时突然停转等现象。如果活塞系统进入了杂质,首先应该对其进行清洁,然后再测量活塞转动延续时间。

  需要注意的是:(1)考虑到可操作性,转动时间都在正表压下测量。虽然正表压下与负表压或绝压下,活塞系统内的流体状态存在差异,但一般来说,对活塞转动时间不会产生实质性的影响;(2)测量点压力的选取:对只有单一测量模式的压力计而言比较明确,即厂家注明的测量范围下限,对于“压力真空计”,是按照负表压的测量范围下限数值作为测量点;(3)一定不能使用特制的砝码专门用作转动时间的检定,检定时必须是实际使用时的砝码或承重盘。

  6.下降速度

  考虑到目前的活塞系统材料多为碳化钨或陶瓷等硬质材料,并不容易磨损,因此不再区分新制造与使用中两种情况,而进行统一规定。与转动时间的规定类似,规定某一范围满足一个要求,不对每一个规格的活塞进行详细规定。

  下降速度测量时需要注意:(1)加压后稳定足够长的时间,以使系统达到热平衡,改变的压力越大,需要稳定的时间越长;(2)下降速度测量中温度的大幅度变化会显著影响测量结果,除了保证室温的稳定外,还应避免热源(如人的手、计算机等)与系统的接触或靠近。

  7.既能测量正压又能测量负压的活塞式压力计

  原则上是从严考察:即下降速度、密封性按照正压部分的上限,转动时间按测量下限检定。

  8.鉴别阈

  鉴别阈规定为不超过测量下限最大允许误差。由于在测量下限处压力计的不确定度主要来源就是鉴别阈,这也是如此规定的初衷。同时这种规定方法也限制了制造厂标称不合理的测量下限,因为测量下限越低,相应的鉴别阈要求也就越小,如果检定中发现鉴别阈达不到相应要求,那么压力计不合格,这也能证明测量下限规定得不合理。

  同时,鉴别阈的检定具有较大的主观性,特别对于准确度较高或测量下限较低的压力计,鉴别阈值很小,对检定员的检定工作提出了更高的要求。

  此项也将成为判定被检仪器是否合格或测量范围下限确定得是否合理的重要依据。

  9.密封性

  密封性的要求不区分不同等级,统一规定。检定是在测量上限处进行的。

  气体密度受温度的影响很大,在密封性和活塞下降速度的测量过程中需要保证稳定的温度,尽量减少温度波动对测量结果的影响。

  10.活塞有效面积的周期变化

  活塞有效面积的周期变化反映的是活塞系统的长期稳定性,参考JJF1033-2008《计量标准考核规范》中关于稳定性的要求,此项指标规定为与活塞有效面积最大允许误差相同。

  从长期积累的数据来看,活塞有效面积的变化有很大比例来自测量的误差,因此,本规程与液体介质活塞相比,要求有所放宽,以减少误判,与标准考核要求一致,也较合理。

  11.主标准器的选择

  检定用主标准器的选用原则有以下几点:(1)不能选用润滑介质为液体的活塞式压力计作为标准器。一般来说,润滑介质为液体的活塞式压力计灵敏度不如气体介质的活塞式压力计,不适宜作为气体活塞压力计检定的标准器,而且根据实践经验,当标准器的工作介质为液体,通过油气隔离器与气体活塞压力计连接进行检定时,气体会缓慢溶于液体造成活塞下降速度偏大,影响平衡的判断,从而造成检定结果不准确。(2)标准器的活塞有效面积最好与被检器的相同或比被检器的更大,否则测量的不确定度会被放大。(3)标准器的测量范围上限可以比被检器高也可以更低,但不能相差太大,此处也没有明确规定,需要根据经验进行选择,同时需要满足第(2)点的规定。

  主标准器的选择限制条件较多,考虑的因素包括准确度的保证和实际可操作性。

  12.水平仪

  本规程表9中水平仪的技术要求是按照水平仪分度值与角度之间的关系确定的,水平仪分度值与角度之间的关系如表1所示。

  

缺插图!

  表1水平仪分度值与角度关系表

  13.关于环境温度与活塞系统温度

  在活塞有效面积的检定中,给出的有效面积均为参考温度(20℃)、零表压的值,在检定和使用中,实际温度与20℃可能存在差异,在现行与活塞压力计相关的检定规程中规定了环境温度的允许范围,这是认为压力计与环境达到了充分的热平衡,活塞系统的温度与环境温度相等,在规定的温度范围内,实际温度与参考温度的偏差所引起的误差可以忽略,所以可在规定的温度范围内进行检定而不必作修正。本规程也保留了适用于这种情况的要求,即6.2.2.1表10中最后一列。而在检定中还有一种情况是根据活塞系统的实际温度(压力计附近的环境温度或压力计内部温度计测得的温度)对活塞有效面积进行修正。在这种情况下,对环境温度的具体数值要求可以更宽松,因为这个值已经进行了修正。对温度波动的规定是为了避免温度变化太快造成测量显示的温度与活塞系统实际温度有差异,造成修正不准。

  14.活塞有效面积计算公式

  本规程6.3.8.1中的公式(1),形式与JJG59-2007《活塞式压力计检定规程》有差异,但实质是相同的。本规程给出了简化条件和简化后的公式。

  压力形变系数的简化条件:第一种情况实际上是保证了标准和被检活塞系统的形变系数相同,这样其对压力的影响是同步的,修正与否对有效面积的测量结果不产生影响。第二和第三种情况下,活塞系统的压力形变系数对测量结果的影响相对于被检压力计而言较小,可以忽略。

  温度对测量结果的影响取决于标准和被测活塞系统的热膨胀系数及二者的温差,只有这两个影响因素足够小,才可忽略其影响。此处的规定中,活塞系统的热膨胀系数约为1×10-5/℃,当温差不超过0.2℃时,温度对有效面积的相对影响不超过2×10-6,在本规程涉及的被检仪器中,这样的影响可以忽略。

  15.起始平衡法的使用限制条件

  在液体介质活塞式压力计的检定中,起始平衡法是常用的检定方法,而气体介质活塞式压力计与液体介质活塞式压力计的一个显著区别是气体具有可压缩性,气体的密度随压力而变化,这就造成同样高度的气柱在不同压力下产生不同压力,而在起始平衡点放置的小砝码仅能消除起始位置的气柱压力差,在气柱压力差变化的情况下必然会造成测量误差。通过采用控制气柱差(两活塞参考平面高度差)的办法,只要将气柱高度控制在一定范围内,使气柱的压力变化不影响测量结果的准确度,这样还是可以采用起始平衡法测量气体活塞有效面积的。

  设最大允许气柱高度为H,由于不同测量范围上限的气体活塞气柱差的影响可能不同,设活塞测量范围上限为p,起始平衡点一般为测量上限的10%~20%,此处取10%。

  设测量上限压力为p,起始平衡点压力为0.1p,起始平衡点气体介质密度:

  

缺插图!

  测量上限气体介质密度:

  

缺插图!

  若H引起的压力变化差值小于测量范围上限允许误差δ(按有效面积的允许误差计算)的1/10,则可忽略H对测量结果的影响。即

  

缺插图!

  从而得出

  不同准确度等级的活塞压力计的最大允许高度差如表2所示。

  

缺插图!

  表2最大允许高度差

  从严进行数据修约后得到本规程表11。

  高度差的测量建议使用高度卡尺,可提高高度测量的准确度。

  由于起始平衡法的使用是建立在一系列条件之上的,因此必须满足一定的近似条件后方可使用。而由于气体的可压缩性,对起始平衡法的使用增加了表11中规定的限定条件,这一规定是首次提出,请注意。

  16.专用砝码质量

  在现行活塞压力计的检定规程中,活塞、连接件和专用砝码的质量都是指真空中质量,而按照JJG99-2006《砝码检定规程》,绝大多数砝码均给出折算质量,如果直接根据砝码检定证书出具的质量值来进行计算,便会出现偏差,偏差的大小取决于砝码材料的密度与约定密度8000kg/m3的差距以及空气密度与约定空气密度1.2kg/m3的差距,经计算,最大相对偏差可达0.029%。因此,本规程对砝码质量进行了相应解释和强调,以避免折算质量与真空中质量概念混用造成的错误。

  务必正确理解质量的相关定义和规定,正确使用质量证书。

  17.重力加速度

  重力加速度对活塞压力计量值的准确性影响非常大,0.005级的活塞压力计使用地点的重力加速度值均需进行实地测量,建议各使用单位根据准确度需要对重力加速度进行实地测量,以保证量值的准确性。

  注:作者均为JJG1086-2013的主要起草人。

  作者单位【悦进中国计量科学研究院、李鑫武北京长城计量测试技术研究所】

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