基于补偿式微压计的微压测量系统的研究*

卓　华　李海兵

(新疆计量院热工所，乌鲁木齐 830011)

0　引言

补偿式微压计主要用于非腐蚀性气体微小压力量值的传递、校准和测试，它可测量微小气体的正压、负压和差压。补偿式微压计基于U型压力计的测压原理，在压力作用下形成液柱高度差，通过容器的位移变化使液面重新达到液位平衡位置。被测压力p可根据下式得到：

(1)

式中：h为仪器示值读数，mm；ρ为检测温度下液体介质的密度,kg/m3；ρ′为检测环境下空气密度,kg/m3；g为检测地点重力加速度,m/s2。

1　补偿式微压计

图1为补偿式微压计的结构示意图。补偿式微压计一般包括以下几个部分：微调部分、水准观测部分、反射镜部分及外壳部分。

图1　补偿式微压计结构图

微调部分包括长螺杆104、固定在长螺杆104上的旋转标尺101、以及由长螺杆104带动作上升或下降运动的大容器106。大容器106设有负压接咀105，在负压接咀105上装有示度准块(图中未示出)，示度准块在垂直标尺103及度板114中间移动，从而指示出大容器106的位移高度。

水准观测部分，包括观测筒115，在观测筒115内装有读数尖头112，用于观测由动压管110受压力后观测筒115内液面的变化。

反射镜部分，包括反射镜(图中未示出)，反射镜面反射观测筒115内的读数尖头112的头尖与液面的图像，读数尖头112的头尖与其倒影的影尖相接表示补偿式微压计读数调整到其“零点”液位。

外壳部分，包括用来支持长螺杆104的壳体102，壳体102上装有水准泡108及调节螺钉113，用来调节微压计的长螺杆104及动压管110的垂直。

其中，大容器106与观测筒115用连接胶管107相连，当大容器106向上移动后，大容器106与观测筒115之间的液面产生差值，在外加压力源向观测筒115内加压后，液面重新达到平衡。补偿式微压计具有较高的准确度以及较好的长期稳定性，非常适合于用在微压段压力量值的传递基标准。

2　基于补偿式微压计的压力测量系统的研究

2.1　传统的补偿式微压计

现有的补偿式微压计在确定“零点”液位时，用肉眼观测观测筒115内读数尖头112的头尖与其液面上虚像的影尖“相接”，人为误差较大，很难确保其准确性。此外，由前述式(1)可知，被测压力p是根据空气密度ρ′以及液体介质的密度ρ计算得出，由于介质密度受温度影响很大，补偿式微压计对温度变化特别敏感。同时大气压以及湿度变化对空气密度ρ′也有一定的影响。如果在测试时不考虑温度、气压、湿度的影响，测试结果误差较大。

2.2　基于补偿式微压计的压力测量系统的构成

为了实现上述目的，本文提供了一种基于补偿式微压计的压力测量系统，结构如图2所示。

图2　测量系统结构图

本系统包括补偿式微压计、图像采集装置、图像处理装置和显示装置。

如图3所示，图像采集装置是工业摄像机或数码摄像头。所述压力图像采集装置可以设置在补偿式微压计的反射镜处，采集来自反射镜的反射图像。图像采集装置可以是工业摄像机，也可以是数码摄像头。图像处理装置将该反射图像进行放大处理后，显示在显示装置上。显示装置可以为液晶显示屏或LED显示屏。工业摄像机可以实时采集来自反射镜的读数尖头112与观测筒115内液面的反射图像，反射图像经放大处理后，显示在显示屏上。在需要对补偿式微压计进行液位调零时，在显示屏上对经过放大的反射图像进行肉眼观测，判断读数尖头112的头尖与液面上的虚像的影尖是否相接，从而确定是否处于零点液位。通过该操作，可以使得零点液位仅有毫米量级的误差，这与现有技术中全靠人眼辨别相比，准确性大大提高。

图3测量系统的主要组成部分

压力测量系统还包括环境信息采集装置，如图4所示。环境信息采集装置包括测量工作环境温度的第一温度传感器、第二温度传感器，测量工作环境湿度的湿度传感器以及测量工作环境大气压的气压传感器。第一温度传感器可以设置在观测筒115处，用于测量观测筒115内液体温度。第二温度传感器可以设置在大容器106处，用于测量大容器106内液体温度。

图4　测量系统的环境采集装置

压力测量系统还包括数据处理装置，根据环境信息采集装置的工作环境信息以及补偿式微压计的测量读数计算压力测量值。数据处理装置可以由计算机来提供，也可以是单片机。可以在显示装置上显示工作环境信息以及计算的压力测量值。此外，也还可以包括输出装置，用于输出工作环境信息以及计算的压力测量值。

3　基于补偿式微压计的压力测量方法

下面以图4所示的实施例为例，详细描述本文基于补偿式微压计的压力测量系统测量压力的方法。

首先，对补偿式微压计进行初始调零。开启图像采集装置采集读数尖头112与观测筒115内液面的反射图像，经图像处理装置放大后在显示装置上显示出来。显示装置上显示的图像包含读数尖头112的头尖与其在液面上形成的虚像的影尖，通过观测头尖与影尖之间的距离，判断读数尖头112的头尖与影尖是否相接。若两者没有相接，需要增加或减少水量，然后调拨旋转标尺101和调节螺母111。当从显示装置上观察到读数尖头112的头尖与其倒影相切时，此时观测筒115内的液面即为零点液位。检定工作开始时，将动压管110通过外接压力源与被测压力相接，在外接压力源提供的压力作用下，观测筒115内液面将上升或下降。通过调节长螺杆104带动大容器106向下或向上移动，进而引起观测筒115内液面下降或上升。当压力平衡时观测筒115内液面大致接近零点液位，调节旋转标尺101和调节螺母111，使观测筒115内液面重新回到零点液位，读出液面高度变化的示值读数h。根据第一温度传感器、第二温度传感器、湿度传感器以及气压传感器分别采集的当前温度值t1、t2、湿度值φ以及气压值p，确定液体密度ρ以及空气密度ρ′。其中，液体密度ρ可根据不同介质在不同温度下的常数表查找得出，温度可取t1和t2的平均值。空气密度ρ′可用下式计算：

(2)

其中t=(t1+t2)/2。将当前温度下的液体密度ρ以及根据式(2)得到的空气密度ρ′代入式(1)，即可得到较为准确的压力测量结果。

4　小结

1)通过增设图像采集装置以及显示装置观测零点液位，能够在显示装置上方便地观看水准头与观测筒内液面的反射图像，相比于用肉眼直接观测，较更容易较准确地确定零点液位。

2)通过增设图像处理装置，将反射图像进行放大，使得在确定零点液位时，水准头的头尖与液面上的虚像的影尖之间的距离仅有毫米量级的误差，相比于现有的靠人眼识别，极大地减少了人为引起的误差，能够有效提高零点的精度，有利于精确测量。

3)通过增加环境信息采集装置，根据实时采集的温度、湿度、气压信息以及补偿式微压计的测量读数计算压力测量值，有效提高了补偿式微压计的测量精度和准确度。

[1]JJG 158—2013补偿式微压计

[2]王金库,李燕华,悦进.补偿式标准微压计使用中的高度差修正分析.计量技术,2009(1)

[3]甘蓉,李雁灵.如何使用补偿式微压计进行压力检测.中国测试技术，2004(11)

[4]胡央丽.补偿式微压计的常见问题解析.计测技术,2009,29(增刊)

[5]俞波.影响补偿式微压计的使用因素.企业标准化,2008(7)