一种新型气体活塞式压力计的研制

0　引言

随着科学技术的发展，特别是航空航天技术的发展，对低、微压力和绝对压力的精密测量提出了更高的要求，所需的压力传感器大多数是测量气体的压力和绝对压力，这就对压力传感器的检定(或校准)工作提出了新的要求，也就是必须提供以气体为工作介质，能够测量表压、绝压、负压、差压和微压的新型气体活塞式压力计。新的压力表检定规程中提出0.25MPa以下测量范围的压力表的传压介质用气体，因此气体活塞式压力计的发展是计量需要的必然结果。

1　目前气体活塞式压力计的概况

气体活塞式压力计一直是国外厂家的天下，市场占有率主要是美国RUSKA公司和美国DHI公司，国内企业目前需求很多，但多数是购买国外的产品。我国生产气体活塞式压力计的企业都在试制阶段，国家质检总局已于2010年4月通过审定并批准立项，以“国质检量函[2010]193号”文正式下达制订任务。国家标准委员会即全国工业过程测量和控制标准化技术委员会也已积极制定气体活塞式压力计标准，计划号为2010-1133T-JB。目前气体活塞式压力计的检定规程已实施。

2　气体活塞式压力计工作原理

气体式活塞压力计属于市场上测量精度高、可靠度稳定、误差小的高端计量标准，其原理是活塞系统和加在活塞上砝码的重量作用在活塞有效面积上所产生的压力作为标准压力，通过管路的工作介质，将压力传递到精密压力仪器仪表。它是利用流体静力平衡原理进行压力测量的计量器具，一般由活塞系统、专用砝码、压力校验器组成，通常用于压力计量器具的检定校准。

3　新型气体活塞式压力计的设计方案

1)目前老式的活塞式压力真空计进行压力传递时，正压测量必须将活塞头朝上，负压测量时又要把活塞头翻转下来向下，固定紧后再重新调整水平，操作很繁琐，工作效率低下。这个问题的产生其本质在于活塞系统正压和负压共有一个压力罩，故新的气体活塞的活塞系统的正压和负压采用单独的压力罩，互不干扰。由于重力竖直向下，正压测量时砝码加在活塞盘上方，故负压罩应该在下方，将砝码顶起。而负压测量时砝码吊在活塞盘的下方，这时负压压力罩放在活塞盘上方，就可以直接将砝码抽起来，这样的新式测量结构，其优势在于测量正负压时不用来回翻转活塞头，操作方便，减少了用户在使用时翻转活塞系统的环节，提高效率。此时新的问题又产生了，由于负压压力罩套在活塞托盘上，其体积变得很大，而且要可以来回拆卸，这样对密封的要求将大大提高。以前的方式只适用于小体积零件的密封，对大零件效果较差。密封性是活塞的最基础也是最主要的环节，密封不好活塞就不能正常使用。为了解决这个问题，本气体活塞压力罩的密封采用新的密封方式，正压压力罩在上方通过密封圈密封，负压压力罩在下方，利用一套旋紧螺母和密封垫来密封，这样效果好，而且用户拆卸也方便。新式测量系统如图1所示。

图1　新式测量系统

2)新式活塞杆和活塞筒要解决将正负压活塞杆分体式转化为一体式的关键问题。实现一体式的测量方式，正压和负压两路系统各自独立的部分和公用部分结构设计以及如何互相转换成为主要问题。同时新结构的变换，导致原有的密封方式不能使用，必须设计出新的方式。一体化测量方式如图2所示。

图2　一体化测量方式

3)气体活塞没有油润滑以后，活塞杆和活塞筒的表面直接接触，为干摩擦状态，不容易转动。而目前的活塞式压力真空计由于油的润滑和活塞杆盘大，虽然有利于活塞的延续时间，但是重量却远远超出气体活塞的要求而不能使用。那么如何重新设计活塞盘的结构，才能使活塞的转动时间和下降速度得到进一步的提高成为关键。同时重量的大小又直接影响气体活塞测量下限的大小，测量下限越低越能体现出该活塞的优势，该项目气体活塞式压力计的起点相比原来的40kPa已经降低至现在的5kPa，这个参数可以达到国内的最高水平，其具体要达到的技术指标已经根据气体活塞式压力计高精度的要求作出相应的提高。新式的气体活塞式压力计的结构如图3所示。

图3　新式活塞结构

4)目前的油润滑活塞的研磨工艺已经成熟，其研磨的成品间隙和圆柱度要求较低，其灵敏度也较低，延时和下降达不到无油润滑气体活塞系统的高灵敏度。目前我们将活塞杆和活塞筒的研磨精度做出进一步的提高，粗糙度达到镜面以上。如何达到如此高的要求，摸索和实验新的研磨工艺成为关键。

5)系统安全性的保证。油压活塞式压力计压力高达250MPa,由于油的压缩系数比较小，故一直未设安全装置，而气体式活塞压力计介质为高纯氮气，气体压缩系数比较大，使用时压力最高可达到7MPa,对气体来说能达到如此大的力就如同一个小型炸弹，如果发生事故后果比较严重。故气体活塞式压力计应加入安全阀，在系统压力超过额定压力时，安全阀自动卸压，保证用户安全使用。气体活塞结构图如图4所示。

图4　气体活塞结构图

6)以前的真空活塞压力采用标示杆显示活塞位移，通过人眼对比出位置的高低，这样产生的误差较大，不能符合高精度测量的要求。气体活塞系统采用电子系统显示活塞位移，利用位移传感器直接测量活塞杆的高低位置，使位移显示更加准确。

7)目前老式的活塞式压力计在检定仪表的过程中，压力仪表每个检定点检验出的数据，一般都是人工记录。新气体活塞式压力计采用新的“压力检验系统”，它可以自动进行数据记录、自动生成表格、自动进行数据修约、自动进行误差计算、检验数据可存储打印等，加入自动化办公软件，可以实现不同种类压力仪表的压力测量精度检验。

4　新型气体活塞压力计的技术创新

4.1　实现测量系统正负压测量不用来回翻转

新式气体活塞通过两个活塞压力罩，一个正压一个负压，同时采用单臂悬挂活塞系统，实现了活塞系统不翻转的功能，其结构示意图如图5所示。

图5　新型活塞结构图

4.2　气体活塞的结构为一体式

上端的托盘部分采用过盈式配合，下端通过螺纹配合，形成一体，正压的砝码直接加在活塞盘上，负压砝码挂在承重杆上，使用方便。一体化结构图如图6所示。

4.3　活塞延时和下降达到理想值的最佳结构

原来的活塞杆采用硬质合金材料，为了减轻重量，新的活塞杆采用碳化钨材质。

4.4　掌握无油润滑活塞系统的研磨技术

在新活塞研磨过程中，研磨的磨料和方法已做出质的提高，在不断的实验和摸索中，已经达到了气体活塞式压力计检定规程中的要求。研磨流程如图7所示。

图6　一体化结构图

图7　研磨流程

4.5　系统安全性的保证

气体式活塞压力计的工作介质为高纯氮气，使用时压力最高可达到7MPa，以前的油压活塞用PC管作为系统压力连接管，新的活塞系统采用不锈钢管进行连接，最大压力可达到15MPa,完全满足要求。由于其他的部件如过滤器有机玻璃筒的强度有限，所以在其压力上线的70%，设置了自动卸压装置，有效地防止了用户误操作或者超压而引发安全事故。

4.6　电子式活塞位移显示器

电子位移显示器对位移的测量准确度达到0.05mm，它采用了电涡流式传感器，可以直接测量到活塞杆的高低位置变化，将其转化为电信号，最终显示成+1.5到0到-1.5之间的数字。+1.5设置为活塞的高位置，0表示中间位置，-1.5表示活塞的最低位置。

4.7　“压力检验系统”软件的开发

该软件可以实现不同种类压力仪表的测量检验，主要由信息管理模块、数据通讯模块、数据处理模块、报表生成模块构成。压力校验系统如图8所示。

图8　压力校验系统

5　新型气体活塞式压力计计划解决的问题

1)实现正负压测量不翻转的新式结构。

2)可视过滤系统，以前的过滤器要拆下来才知道污染程度，比较麻烦，同时由于现有的透明材料比较脆，所以过滤系统采用亚克力材质能否满足结构需求还待确定。

3)掌握无油润滑活塞系统的研磨精度。

4)去掉油的润滑以后，活塞杆和活塞筒的表面直接接触，为干摩擦状态，不容易转动，保证延续时间将是一个难题。

5)活塞的下降问题。由于要求活塞的延续时间要长，故要求其间隙要大，而下降越小则要求其间隙越小，两者互相矛盾。

6)系统的安全性保证。7MPa的气体压力如同一个小型炸弹，如果发生事故后果比较严重。

7)活塞结构重量要轻的问题。因为活塞式压力计的测量范围下限越低，在目前的国际市场上越有竞争力，但是下限越低其重量越小，而对延时是起反作用的，越轻越不利于延续时间。

6　气体活塞式压力计达到的技术性能指标

1)压力范围：-0.1～7MPa。

2)介质：纯度等于或高于99.99%的氮气。

3)活塞转动延续时间。压力计的活塞转动延续时间符合表1的规定。

4)活塞下降速度。压力计的活塞下降速度符合表2的规定。

表1　压力计的活塞转动延续时间

表2　压力计的活塞下降速度

5)密封性。在气体活塞压力计测量范围上限试验压力下，压力计校验器密封性试验的后5min压力下降值不超过试验压力的2%。

7　结束语

新型气体活塞式压力计实现无油润滑活塞系统，可以保证活塞高精度量值的传递，结构上保证最小最轻，从而达到了更低的测量范围下限。同时新出的气体活塞检定规程对活塞转动延续时间、下降速度、密封性等重要技术指标提出更高的要求，这也是对气体活塞生产厂家提出了更高的要求。