高精度气体活塞压力计的改造设计与航空应用

邢 威

（中国航发沈阳发动机研究所，辽宁 沈阳 110015）

引言

气体活塞式压力计是使用气体介质并润滑的、高精度的静重标准压力仪器，被广泛应用于航空、航天、兵器、机械、船舶、气象、仪表等多项不同领域。美国RUSKA公司2 465型高精度气体活塞压力计是中国航发沈阳发动机研究所压力专业最高计量标准，承担着所发动机试车数据可靠性的量值传递。使用多年来，为所型号试制任务做出了卓越贡献。但经过多年使用，其硬件部分已老化，高量程活塞在检定过程中漏气现象明显，致使相关校准工作无法正常进行。此外，辅助设备2411砝码计数器一直存在频繁丢失原始数据的情况，重新录入基础数据大概需2~3 h，严重影响工作效率。由于购置新设备批复有较大难度，为保证发动机试车采集准确数据，确保试车进度，提出对该气体活塞压力计进行改造设计。

1 改造目的及要求

为满足实验室检定能力需要，工作更加方便快捷，在原有硬件设备基础上增加了自动调压和计算功能，对系统流程进行技术改进，提高压力计的工作效率的同时，保证压力计原有精度要求。活塞压力计主要技术指标：（0～25）psi、（0～100）psi、（0～1 000）psi，不确定度为0.003 5%。

2 活塞压力计原理

该标准主要由活塞压力计、2411自动转换器和2461手操器三部分组成。活塞压力计是由共用一个底座的三个不同量程的活塞及活塞筒组成。它是根据帕斯卡原理、流体静力学力平衡原理为基础进行压力计量，其活塞系统工作介质与传压介质为同一种气体，其不仅能测量表压，而且还能测量绝压，如图1所示。

气体活塞式压力计有一个真空玻璃罩，这个真空玻璃罩在进行绝压测量时起了重要作用。为了在测量时保持活塞和专用砝码与活塞筒之间的相对转动，利用电机来完成。

3 改进设计

活塞压力计自动检定系统的硬件结构主要包括计算机、高精度压力控制器、采集卡、压力真空泵及压力气源等硬件设备组件，见图2。通过计算机的RS232接口连接形成回路，实现自动化控制校准。活塞系统的改进主要从自动调压和砝码自动转换计算两方面进行。

3.1 自动调压设计

针对手动调压解决不了活塞泄露的弊端，改造目标从自动调压入手。最终技术人员受数字压力控制器使用过程启发，采用自动控制来解决调压问题，经过多次反复实验验证，控制效果稳定。控制系统调节系统内部压力使活塞浮起到适当的位置上，加减压过程要缓慢，对低压活塞要小于15 psi/min，其他的要小于100 psi/min。

3.2 2411砝码自动转换器改进设计

2411砝码自动转换器是活塞压力计的辅助配套设备，易发生丢失原始数据的故障，重新录入大约需2～3小时。为了解决这一问题，设计了2411自动计算软件，通过内置的测压、测温及高度传感器装置，采集模拟信号，参与公式计算，得出需要加载的相应砝码：

式中：Mdwg为活塞处于平衡位置时，所需加载的砝码质量；M为压力平衡时活塞筒与砝码的总质量；Mp为活塞筒自重，而M可由式（2）算得：

式中：Pdwg为活塞与砝码处于平衡时所承受的压力，MPa；A0为活塞零压力和参考温度时的代表面积，m2；b1为活塞/活塞筒弹性形变第一系数，1/MPa；b2为活塞/活塞筒弹性形变第二系数，1/MPa2；c为活塞/活塞筒温度系数，1/℃；t为活塞系统的温度，℃；r为A0的参考温度，℃；k=1.0×10-8；g1为当地重力加速度，cm/s2；pa为当地空气密度，g/cm3；pb为砝码材质密度，g/cm3。

4 系统验证及不确定度分析

4.1 测量不确定度评定

活塞测压的数学模型为：

式中：p为当活塞处于工作位置时，活塞所产生的压力，Pa；mi为活塞、活塞承重盘、连接件以及专用砝码质量，kg；g为当地重力加速度，m·s-2）；ρa为当地空气密度，kg·m-3；ρmi为砝码密度，kg·m-3；ρ1为介质密度，kg·m-3；λ为压力形变系数，MPa-1；A0为在参考温度和当地大气压下的活塞有效面积，m2；ti为工作时活塞温度，℃；h为活塞参考平面与测量平面的差，m；α为活塞组热膨胀系数，α=αp+αc；αp为活塞杆热膨胀系数，℃-1；αc为活塞筒热膨胀系数℃-1；Γ为活塞表面张力系数，N/m；pref为活塞参考端压力，Pa。

由于该气体活塞压力计即可表压测量又可绝压测量，下面就以表压测量为例进行分析，由于使用是氮气作工作介质，所以，表面张力可以忽略不计，规程规定参考温度20℃，公式（3）可以简化为：

由式（4）可知不确定度分量有下面几分量组成，m、g、α、A、h、t等，还要考虑活塞垂直度引起的不确定度，下面具体分析。

4.1.1 活塞有效面积的不确定度

根据上级检定机构给出的三个活塞有效面积的相对扩展不确定度为0.002 5%，k=2，则其标准不确定度为：

4.1.2 活塞、砝码质量的不确定度

由上级检定机构给出的活塞、砝码质量扩展不确定度为1×10-5，k=2，其标准不定度为：

4.1.3 重力加速度的不确定度

本地重力加速度值由国家基础地理信息中心获得。其精度可达10-8，作为基本点的点位距本标准工作地点1 km左右，故此项误差可以忽略。

4.1.4 温度变化引起的不确定度

该活塞压力计采用铂电阻进行测温，其的最大误差按0.15℃计算，按均匀分布对待，k=，则：

4.1.5 垂直度引起的不确定度

活塞的安装以及活塞本身结构有可能造成活塞轴线的不垂直，从而使加在活塞有效面积上的力小于活塞以及砝码所产生的重力，如果θ为轴线倾斜角度，那么倾斜带来的影响量为（1-cosα）p,通常规程规定，活塞安装垂直度要小于2'，所以带来的不确定度应为：

4.1.6 压头修正

由于被检仪表参考平面与标准活塞底面高度差引起的压头修正仪表通过计算机自动进行，仪表说明书给出当温度在20～30℃范围内压力修正的最大扩展不确定度在7MPa时为2.8×10-6/in=1.1×10-6/cm，位置差0.1 cm,k=2则：

4.1.7 该标准的合成标准不确定度u c

取k=2，则该标准的扩展不确定度为：

该值小于仪表出厂时给定的0.003 5%扩展不确定度。

4.2 重复性验证

选高精度数字压力控制仪作为验证对象结果如下：选美国FLUKE公司的准确度等级为0.005（读数精度）的7252型数字压力控制仪，在20℃、相对湿度45%环境条件下，选取80 psi为检定点进行重复检定观测，结果如表1所示。

表1 重复性观测值

而相对测量重复性应为：

4.3 稳定性验证

仍取编号为No.68 993的FLUKE 7252，用于气体活塞的稳定性测量。标准压力值仍为80.000 psi，观测值见表2。

表2 稳定性观测值

总平均值为：

则：

其相对稳定性应为：

其值小于U95，故测量标准的稳定性验证合格。

4.4 技术指标

改进后的压力活塞系统在保证原有精度的基础上，工作效率有明显提升，是原有工作效率5～8倍，现技术指标如表3所示。

表3 改进后的技术指标

5 结论

高精度气体活塞压力计的自动化改造设计，既有效解决了活塞漏气造成的补压难问题，也彻底弥补了不容易上手，操作复杂的弊端。通过增加自动调压及实时测量并修正环境影响功能，计算并给出所需加载的砝码值，控制整个系统协调工作，用户可通过程序控制完成校准任务。改进后的活塞在保证原有精度的同时还保留了手动调压功能，以满足微调时的压力补偿，可与自动调压同步进行，稳压效果更佳，降低了人为因素所导致的检定误差，更在一定程度上避免了因操作失误而导致活塞卡滞。通过多年的实际应用证明，新活塞系统能够确保发动机压力测试数据准确可靠，保证发动机试车任务的顺利开展，每年为所节省了数十万元的检定经费，更为型号试制工作提供重要支撑。