美國NIST研究團(tuán)隊(duì)采用高精度壓力傳感器校準(zhǔn)活塞壓力計(jì)的方法

       目前活塞壓力計(jì)的校準(zhǔn)方法國內(nèi)大多才有起始平衡法，此方法耗時(shí)耗力，給工作人員帶來很大的負(fù)擔(dān)，最近看到美國NIST物理測量實(shí)驗(yàn)室的研究人員采用的一種新型快速的校準(zhǔn)方法，供同行們參考。一下文章用陜西泰匯爾儀器制造有限公司整理。

       不論是企業(yè)實(shí)驗(yàn)室還是政府實(shí)驗(yàn)室機(jī)構(gòu)，為了確保壓力測量設(shè)備的準(zhǔn)確度，通常都需要可靠的壓力源。他們一般使用活塞式壓力計(jì)作為這種壓力源。活塞式壓力計(jì)是由一個(gè)金屬圓柱體作為活塞、一個(gè)空心圓柱體作為活塞筒組成的，活塞以可預(yù)測的速度穿過活塞筒。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)物理測量實(shí)驗(yàn)室(PML)的研究人員為海軍、陸軍、航空公司和電力公司等多個(gè)客戶提供活塞式壓力計(jì)的精確校準(zhǔn)服務(wù)。

       幾十年來，活塞式壓力計(jì)的校準(zhǔn)都要耗費(fèi)大量的人力來手動完成。但是，最近NIST物理測量實(shí)驗(yàn)室的研究人員研發(fā)出了一種新的自動化系統(tǒng)，可大大縮短每次校準(zhǔn)所需的時(shí)間。

       壓力是對施加到單位面積的力的量度。對于活塞式壓力計(jì)，放置在活塞頂部的砝碼將活塞向下推，對其產(chǎn)生作用力。那么，受力面積就是活塞的橫截面積，對橫截面的變形和缺陷進(jìn)行校正后的面積可稱為“有效面積”。因此，活塞式壓力計(jì)的壓力取決于活塞的有效面積和活塞上所放置砝碼的質(zhì)量。

       為了精確測量壓力，企業(yè)通常采用活塞式壓力計(jì)作為可靠的壓力源。在這段視頻中，NIST工作人員Julia Scherschligt演示了如何校準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)。該方法是以前的傳統(tǒng)手動方法，并不是新的自動化方法。NIST提供的活塞式壓力計(jì)校準(zhǔn)服務(wù)的客戶包括航空公司、電力公司和軍方。

       為了校準(zhǔn)客戶的壓力計(jì)，研究人員需要調(diào)平兩套活塞式壓力計(jì)產(chǎn)生的壓力，一套是客戶的被檢活塞式壓力計(jì)，另一套是NIST的標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)的規(guī)格尺寸已經(jīng)過精確測量，因此有效面積非常清楚。然后再將同樣經(jīng)過NIST精確測量的具有相同標(biāo)稱質(zhì)量的砝碼同時(shí)置于被檢壓力計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)之上。

       標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)的有效面積以及放置在壓力計(jì)上的砝碼質(zhì)量都是已知的，而客戶被檢壓力計(jì)的有效面積則是未知的，也是校準(zhǔn)過程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

       在傳統(tǒng)的手動校準(zhǔn)方法中，兩套壓力計(jì)都與差壓指示儀連接，差壓指示儀的刻度盤可顯示標(biāo)準(zhǔn)與被檢活塞式壓力計(jì)之間的壓力差。調(diào)平時(shí)，研究人員需要在活塞式壓力計(jì)的頂部增減不同質(zhì)量的砝碼，有的甚至小至5毫克(mg)。一旦壓力達(dá)到平衡，研究人員就會記錄客戶的被檢壓力計(jì)所放置砝碼的質(zhì)量，從而計(jì)算有效面積。然后在活塞式壓力計(jì)測量范圍內(nèi)，取不同壓力值重復(fù)幾次測試，通常為10次。最后，NIST的研究人員會生成一份報(bào)告提供給客戶，根據(jù)該報(bào)告，客戶可以對活塞式壓力計(jì)的所有測量結(jié)果進(jìn)行修正。

       這種方法聽起來很簡單，但實(shí)際操作卻非常耗時(shí)，因?yàn)檠芯咳藛T必須使被檢儀表和標(biāo)準(zhǔn)儀表之間達(dá)到近乎完美的平衡狀態(tài)。

       NIST物理測量實(shí)驗(yàn)室(PML)的工作人員Julia Scherschligt介紹說：“用傳統(tǒng)的方法校準(zhǔn)壓力計(jì)時(shí)，你會看到研究人員拿著一把鑷子，從盒子里夾起這些微小的砝碼，然后一次又一次地把它們放到活塞上。校準(zhǔn)過程中需要經(jīng)常更換砝碼，每次都要打開再蓋上活塞式壓力計(jì)，防止氣流影響其性能;還要向壓力計(jì)內(nèi)充入氮?dú)?，防止活塞落到活塞筒的底?然后手動旋轉(zhuǎn)壓力計(jì)，防止其結(jié)構(gòu)中的任何輕微瑕疵使結(jié)果產(chǎn)生偏差。完成上述這些操作后，技術(shù)人員每次都得重新調(diào)平，這是最麻煩的事。”

       大約一年前，該團(tuán)隊(duì)開始研究一種自動比較的方法，來避免繁瑣的調(diào)平過程。新方法使用傳感器*來比較壓力，傳感器先對其中一個(gè)壓力計(jì)產(chǎn)生的壓力進(jìn)行采樣，然后在幾秒內(nèi)對另一個(gè)壓力計(jì)產(chǎn)生的壓力進(jìn)行采樣。工作人員無需增減小砝碼，只需將相同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼放在兩個(gè)壓力計(jì)的頂部，然后在需要時(shí)向每邊添加一點(diǎn)氮?dú)?。很快，依靠?jì)算機(jī)就能自動處理整個(gè)校準(zhǔn)過程，屆時(shí)工作人員甚至都不必手動切換氮?dú)忾_關(guān)。

       Scherschligt表示新系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于傳感器本身不需要校準(zhǔn)。她說：“該系統(tǒng)是一種能實(shí)時(shí)將NIST標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)的量值傳遞到客戶的被檢壓力計(jì)的裝置。傳感器的準(zhǔn)確度并不重要，只要它能夠?qū)毫ψ兓a(chǎn)生線性響應(yīng)，哪怕是幾個(gè)數(shù)量級的偏差都不會對結(jié)果產(chǎn)生影響?！?/p>

       研究人員相信這種新方法能節(jié)省大量時(shí)間。此外，這種新方法的測量準(zhǔn)確度都可達(dá)到百萬分之幾，與傳統(tǒng)方法不相上下。

       目前，這種自動化校準(zhǔn)系統(tǒng)所涵蓋的壓力范圍最高僅有7MPa(兆帕斯卡，約1000 psi)，這意味著壓力范圍高于7MPa的活塞式壓力計(jì)仍需手動校準(zhǔn)。NIST研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將目前這個(gè)部分自動化校準(zhǔn)系統(tǒng)升級到14 MPa(約2000 psi)，并繼續(xù)致力于研制出一個(gè)完全自動化的系統(tǒng)。

      *壓力傳感器是將一種信號轉(zhuǎn)換為另一種信號的裝置。在該系統(tǒng)中，傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號。