摘 要：在使用活塞式压力计检定测量范围小、高准确度的压力表时，如果不考虑被检压力表工作面(隔离膜片)与活塞式压力计活塞工作面、油杯工作面之间的关系可能会影响到最终的检定结果。
关键词：活塞式压力计；高度差；工作面；工作介质
0 引言
在压力检定中，活塞式压力计以其测量范围宽、准确度等级高、长期稳定性好、易复现、便于溯源等特点被广泛应用。在我国，测量上限为6MPa以下的活塞式压力计，使用的工作介质分为气体工作介质和液体工作介质。我们对同一块测量上限为0.6MPa的数字压力表进行检定，结果是用气体活塞式压力计检定结果合格，而用工作介质为液体的活塞式压力计检定结果不合格。本文就实际检定中出现的问题加以分析，找出造成不同结果的主要原因，并采用正确的操作方式进行解决。
1 活塞式压力计的组成
活塞式压力计一般由活塞组件、专用砝码、压力校验台等组成，压力校验台主要由油杯、压力调节器、管路、压力测试口等组成，如图1所示。
1.数字压力计；2.压力测试口；3.专用砝码；4.压力校验台；5.活塞杆；6.活塞杆下端面；7.活塞工作时的位置；8.压力调节器；9.油杯；10.油杯开关；11.油杯液面；12.传感器工作面；h1.油杯界面到压力测试口距离；h2.油杯界面到传感器隔离膜片距离；h3.压力表测试口端面到隔离膜片距离；h4.活塞杆不在工作位置时到传感器隔离膜片的距离；h5.活塞杆在工作位置到传感器隔离膜片的距离
图1 活塞式压力计组成
2 高度差与压力之间的关系
根据液体压强的原理，液体的压强与液体的密度、高度以及所在地区的重力加速度有关。利用该原理可以计算出因液位高度差产生的压力值：
pd=ρgh
(1)
式中：pd为液位高度差产生的压力值，Pa；ρ为工作介质的密度，活塞压力计混合油介质的密度为895kg/m3，空气介质的密度为1.2kg/m3；g为工作地点的重力加速度，标准地区重力加速度为9.80665m/s2；h为压力工作参考面与被检仪表之间的高度差，m。
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3 产品结构形成的高度差
3.1 活塞式压力计产生的高度差
活塞式压力计在设计油杯位置和压力测试口位置的高低时，一般情况都是压力测试口的位置高于油杯中工作介质的界面。其原因是，当压力测试口没有安装被检仪表，且油杯的开关处于“开”的位置时，如果油杯液面高于压力测试口时，油杯里的工作介质会因为高度差产生的重力通过压力测试口流出。因此设计时要保证测试口端面与油杯中工作介质的界面的高度相同或者略高于油杯端面。
活塞式压力计在设计活塞杆位置时，为保证仪器通大气时活塞杆与工作介质之间不会出现空气，活塞杆的下端面应低于油杯中工作介质的高度。
3.2 数字压力表设计时形成的高度差
数字式压力表内部传感器通过硅油和隔离膜片密封封装。传感器通过隔离膜片来感受外部传递过来的压力值。为了减小安装时机械应力对传感器精度的影响，一般传感器都安装在离开测试口螺纹连接部位。这虽然解决了应力对传感器的影响，但也形成了传感器隔离膜片到压力测试口端面之间的距离。这段距离中螺纹长度一般为15mm,用于扳手安装的六角螺母的厚度一般为10mm，因此测试口端面到传感器隔离膜片之间的距离大约为25mm。
4 液体压力计算
4.1 工作介质不同高度差产生的压力值不同
按照上述原理，当一个U形管两个端面的高度差为零时，那么这两个端面之间产生的压力差为零。当U形管两个端面的高度差不为零时，这两个端面之间产生的压力可按照式(1)进行计算。
4.2 高度差对检定结果的影响
我们选择测量范围0～0.6MPa ,准确度等级0.05级的数字压力表计算其最大允许误差。测量范围上限最大允许误差：0.6MPa×0.05%=0.0003MPa=300Pa；测试点0.06MPa最大允许误差：0.06MPa×0.05%=0.00003MPa=30Pa。
按照前面所说的液位差来进行计算，数字压力表传感器安装结构形成的高度差为25mm。如果用液体工作介质的活塞式压力计进行检定，根据式(1)进行计算：
pd =ρgh=895kg/m3×9.80665m/s2×0.025m
=219Pa
可见如果不进行高度差修正，由此带来的压力值已经相当于该活塞式压力计测量上限最大允许误差300Pa的2/3，超过第一个测试点0.06MPa最大允许误差30Pa的6倍还多。
如果用气体工作介质的气体活塞式压力计进行检定。根据式(1)进行计算：
pd =ρgh=1.2kg/m3×9.80665m/s2×0.025m
=0.294Pa
可见由此带来的压力值仅是气体活塞式压力计测量上限最大允许误差300Pa的1/1000，第一个测试点0.06MPa最大允许误差30Pa的1/100。
通过上述计算可以看出，相同的高度差采用不同的工作介质是造成用气体活塞式压力计检定合格，而用工作介质为液体的活塞式压力计检定不合格的主要原因。
5 检定过程中高度差的变化
除已知的高度差影响外，在检定过程中活塞式压力计的工作面也在发生着变化。如果没有注意到这个变化，那么在不同的操作阶段进行检定，结果也不相同。
5.1 安装过程造成高度差变化
活塞式压力计在检定数字压力表的过程中压力基准面会发生变化：
1)当被检表安装完毕后，一般情况下油杯开关处于“开”的位置，这时被检表传感器工作面与油杯工作面之间会产生一个高度差，这个高度差的介质是气体。
2)当关闭油杯开关后，压力工作面是以活塞杆底部为基准面(此时它还没有浮起到工作面)，这个基准面与数字压力表隔离膜片之间会产生一个高度差。这时的压力工作面从原来的油杯液面高度转移到了活塞杆底部。这是因为数字压力表的传感器从原来感受大气压力值转换成了感受活塞的压力值。
3)当开始检定活塞杆升到工作位置时，数字压力表感受的压力值又从还没有浮起到工作面的活塞杆底部转移到活塞杆在工作位置时活塞底部。
从整个操作过程看，随着安装前、安装到活塞式压力计上以及关闭通往大气的阀门，压力的工作基准面发生着变化，而检定时又是以在工作位置的活塞杆底部为压力基准面。如果没有注意到这些工作基准面的变化，那么这些变化就会在检定过程中引入误差。
5.2 仪表内部气体引起的高度差变化
如果仪表安装前没有将接头内的空气排干净就直接安装在压力校验台上，当压力发生变化时，接头内部的气柱会随着压力值的变大而产生压缩，从而引起液柱升高，气柱减小。而我们在进行高度差修正时，都是以液体的高度差进行修正，没有考虑内部的气柱以及气柱的变化造成的影响。
6 如何减小高度差带来的影响
综上所述，测量范围小的压力计，如果要用工作介质为液体的活塞式压力计检定，一定要考虑压力工作面高度的变化。因为活塞式压力计本身的结构问题使得检定时出现的高度差不可避免。但通过正确的方法至少可以减少因高度差造成的影响。如何减小高度差带来的影响呢?首先检定前先确认数字压力表隔离膜片表面没有油后，将压力表“清零”读取零点数值。检定中不再读取零点数值，直到将仪表从压力校验台卸下来排干净仪表隔离膜片表面上的油再读取零点数值。第二，将压力校验台加压直至测试口流出工作介质并排除气泡。第三，用针管将数字压力表接头管路内灌满工作介质后再安装在压力校验台上。第四，准确测量在工作位置时活塞杆底部到数字压力表隔离膜片之间的距离并做压力修正。经过上述操作后进行检定就不会出现与气体活塞式压力计检定数据不一致的情况了。
7 结论
通过以上分析可以看出，测量范围小、准确度等级高的压力仪表用工作介质为液体的活塞式压力计检定存在因高度差引入的压力。而这个压力虽然经过上述的操作可以减小，但在具体检定过程中误差还会存在，主要因为工作介质中的气体无法彻底排干净，标准器与被检仪表之间的距离测量也存在一定的误差。建议在检定测量范围小、准确度等级高的仪表时，最好使用气体活塞式压力计以保证量传的准确性。
