一种基于磁平衡原理的活塞式压力计校准方法

技术领域

本发明涉及计量检测技术领域，尤其涉及一种基于磁平衡原理的活塞式压力计校准方法。

背景技术

活塞式压力计是基于流体静力学平衡及帕斯卡定律进行压力计量的仪器，其原理非常接近压强定义模型，精度高、稳定性好，主要作为压力标准器在计量室、实验室或生产科学实验环节使用，也可用于监测其他高精密仪表的计量性能；

现有的活塞式压力计是实现和传递压力量值的重要标准器；活塞式压力计的核心部件是活塞杆和活塞筒组成的活塞系统，在重力场中，一定质量的砝码加载在面积已知的活塞系统上来测量流体介质的压强，被广泛应用于国家级标准装置以及国际比对中的传递标准中；

目前我国压力量值传递体系中，(-0.1～250)MPa压力计量基准、计量标准的建立以活塞式压力计为主要基(标)准器具，几乎所有的压力计量器具都是溯源到0.002级或者0.005级活塞式压力计；压力量值溯源体系的建立和维护很大程度上依赖于活塞式压力计技术的进步和活塞式压力计检定技术的发展；

活塞式压力计的校准是通过标准活塞式压力计来确定被校活塞式压力计的有效面积，现有技术的的活塞式压力计校准方法通过反复调整被测端小砝码的加载量，并人为判断校准系统是否达到平衡状态，从而根据帕斯卡定理确保两活塞式压力计产生相同的压力；

现有技术的校准过程需要通过水平仪人为判断活塞垂直度，并通过过基于涡流原理的位移传感器系统判断活塞下降速度，再通过活塞位置指示装置以及差压指示仪等装置判断系统平衡点；现有技术的这种校准方法，通过人为手动增减克组(毫克组)砝码调整标准端和被测端活塞加载质量，再以活塞位置指示装置、差压指示仪等装置判断系统平衡点；校准过程需要不断调整毫克组砝码配重，反复加压，定点平衡；并且经过多次尝试和等待，才能最终实现校准点的平衡；校准过程中因为人为因素造成的不确定度较大、校准系统调整平衡过程操作繁琐、费时费力，校准方法的全程依赖人力完成，自动化程度低；

并且随着新版JJG 59-2022活塞式压力计检定规程的发布实施，规程对6MPa以上活塞式压力计提出实测形变系数的工作，对活塞式压力计校准的质量提出更高的要求，也显著增加了校准的工作量，现有技术这种自动化程度低，受人为因素影响大而带来的粗大误差与随机误差较多，并且校准工作自动化程度低；

因此，本领域技术人员致力于开发一种基于磁平衡原理的活塞式压力计校准方法，旨在解决现有技术中存在的缺陷问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是目前现有技术中，需要通过水平仪人为判断活塞垂直度，并通过过基于涡流原理的位移传感器系统判断活塞下降速度，再通过活塞位置指示装置以及差压指示仪等装置判断系统平衡点；校准过程中因为人为因素造成的不确定度较大、校准系统调整平衡过程操作繁琐、费时费力，校准方法的全程依赖人力完成，自动化程度低。

为实现上述目的，本发明提供一种基于磁平衡原理的活塞式压力计校准方法，包括如下步骤：

步骤1、搭建活塞式压力计校准系统；

步骤2、将标准活塞与待校准活塞受压顶起，待起始平衡状态后，记录数值；

步骤3、在标准活塞与待校准活塞各增加一定量的砝码，并记录第二次平衡后的数值；

步骤4、通过步骤2、3测得的数据进行相关计算，对待校准活塞进行校准；

所述步骤1搭建的活塞式压力计校准系统包括激光位置传感器、配置重块、电子天平、钕铁硼磁铁、公斤砝码、被检活塞式压力计、加压机构、标准活塞式压力计、传压介质油杯；

所述激光位置传感器共2～4个，均匀分布在被检活塞式压力计与标准活塞式压力计下方；激光位置传感器可以反馈平衡位置；

所述被检活塞式压力计上方为公斤砝码，所述公斤砝码上方有钕铁硼磁铁；

所述配置重块位于电子天平上，所述配置重块上固定连接有磁铁固定装置，磁铁固定装置绕电子天平呈环状，磁铁固定装置的电子天平下方，连接有一块钕铁硼磁铁；

所述钕铁硼磁铁共两块，一块位于公斤砝码上方，一块位于配置重块伸出的磁铁固定装置上；两块钕铁硼磁铁彼此相对，彼此互斥；

所述传压介质油杯位于被检活塞式压力计与标准活塞式压力计之间；

所述加压机构可以向活塞式压力计校准系统中加载压力；

进一步地，所述电子天平可以通过配置重块上固定连接有磁铁固定装置称量出，两块钕铁硼磁铁之间互斥力的大小；

步骤2、使得标准活塞与待校准活塞受压顶起，并记录起始平衡状态后的数值所述步骤2所记录的平衡状态后的数值为活塞的压强值；

所述步骤2是在步骤1搭建的活塞式压力计校准系统中进行的，当进行步骤2是，两边的活塞受压顶起，达到起始平衡后，由帕斯卡定理可得：

所述式(1)中，S

步骤3、在标准活塞与待校准活塞各增加一定量的砝码，并记录第二次平衡后的数值；

所述步骤3在标准活塞与待校准活塞各增加一定量的砝码后，达到第二次平衡，由帕斯卡定理可得：

所述式(2)中，；且Δm

所述步骤3的过程，所增加的砝码重量并非是整数值，而是有公斤砝码和克组(毫克组)砝码组成的；

所述步骤3的二次平衡过程中，可以将增加砝码过程中的所有克组(毫克组)砝码均归置与被检活塞式压力计上；

所述步骤3的二次平衡中，通过使用两块彼此互斥的钕铁硼磁铁，采用磁场斥力代替克组(毫克组)砝码的重力作用；

步骤4、通过步骤2、3测得的数据进行相关计算，对待校准活塞进行校准

所述步骤4中，将步骤2、3测定得到的数据即式(1)与式(2)相减可以得到：

所述式(3)中，因为S

所述步骤4的相关计算，在步骤2初始第一次标准活塞与待校准活塞受压顶起后，磁场不发生作用；此时电子天平上配置重块设其质量为m

所述步骤4的相关计算，当进行步骤3后，第二次平衡后，磁场发挥作用产生斥力，向下的作用力辅助活塞式压力计校准系统平衡，同时向上的反作用力使得天平秤量的m

设公斤砝码添加量为ΔM，则(3)式可变换为：

因此，被测活塞面积可计算得到：

采用以上方案，本发明公开的基于磁平衡原理的活塞式压力计校准方法，具有以下优点：

(1)本发明的基于磁平衡原理的活塞式压力计校准方法，基于电磁力平衡原理，通过磁场斥力相等、方向相反的特点，将原本用于平衡的砝码重力用天平等标准器代替，无需人为手动加减砝码，直接由天平称量平衡力；并通过综合采用激光位置传感器反馈信号，设计自动校准辅助平衡装置，摒弃传统方法中人为手动调节校准系统平衡的过程；减少了校准过程中可能因为人为因素而产生粗大误差与随机误差的可能，大大增加了校准的精确性；

(2)本发明的基于磁平衡原理的活塞式压力计校准方法，通过电磁平衡原理的方式，将手动放置砝码达到平衡的过程转变为天平实时连续读取力值最终实现平衡的过程，从而使关键参数平衡质量数据自动获取，最终实现了活塞式压力计校准过程的自动化，提高了校准方法的自动化程度，并且使得本发明方法更加符合新版的检定规程，实现了更高质量的活塞式压力计校准。

综上所述，本发明公开的基于磁平衡原理的活塞式压力计校准方法，减少了校准过程中可能因为人为因素而产生粗大误差与随机误差的可能，大大增加了校准的精确性；提高了校准方法的自动化程度，并且使得本发明方法更加符合新版的检定规程，实现了更高质量的活塞式压力计校准。

以下将结合具体实施方式对本发明的构思、具体技术方案及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明基于磁平衡原理的活塞式压力计校准方法流程示意图；

图2是本发明基于磁平衡原理的活塞式压力计校准方法中的活塞式压力计校准系统结构示意图；

图中，1、激光位置传感器；2、配置重块；3、电子天平；4、钕铁硼磁铁；5、公斤砝码；6、被检活塞式压力计；7、加压机构；8、标准活塞式压力计；9、传压介质油杯。

具体实施方式

以下介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，这些实施例为示例性描述，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

实施例1、采用基于磁平衡原理的活塞式压力计校准方法，完成对一台活塞式压力计的校准；

本次实施例1所需要校准的是一台(1～60)MPa的活塞式压力计，本次实施例1所采用的标准活塞式压力计的面积为0.098112cm

首先进行步骤1、搭建活塞式压力计校准系统；所述图2是本实施例1搭建完成活塞式压力计校准系统的示意图；

所述步骤1搭建的活塞式压力计校准系统包括激光位置传感器1、配置重块2、电子天平3、钕铁硼磁铁4、公斤砝码5、被检活塞式压力计6、加压机构7、标准活塞式压力计8、传压介质油杯9；

具体实施时，本实施例1激光位置传感器1共2个，一个在被检活塞式压力计6下方，另一个在标准活塞式压力计8下方；激光位置传感器1可以反馈平衡位置；

所述被检活塞式压力计6上方为公斤砝码5，所述公斤砝码5上方有钕铁硼磁铁4；

所述配置重块2位于电子天平3上，所述配置重块2上固定连接有磁铁固定装置，磁铁固定装置绕电子天平3呈环状，磁铁固定装置的电子天平3下方，连接有一块钕铁硼磁铁4；

所述钕铁硼磁铁4共两块，一块位于公斤砝码5上方，一块位于配置重块2伸出的磁铁固定装置上；两块钕铁硼磁铁4彼此相对，彼此互斥；

所述传压介质油杯9位于被检活塞式压力计6与标准活塞式压力计8之间；

所述加压机构7可以向活塞式压力计校准系统中加载压力；

所述电子天平3可以通过配置重块2上固定连接有磁铁固定装置称量出，两块钕铁硼磁铁4之间互斥力的大小；

在完成活塞式压力计校准系统的搭建后，即可开始进行步骤2、将标准活塞与待校准活塞受压顶起，待起始平衡状态后，记录数值；

所述步骤2所记录的平衡状态后的数值为活塞的压强值；

所述步骤2是在步骤1搭建的活塞式压力计校准系统中进行的，当进行步骤2是，两边的活塞受压顶起，达到起始平衡后，由帕斯卡定理可得：

所述式(1)中，S

本实施例1，具体实施时，S

在步骤2执行完毕后，即可开始执行步骤3、在标准活塞与待校准活塞各增加一定量的砝码，并记录第二次平衡后的数值；

所述步骤3在标准活塞与待校准活塞各增加一定量的砝码后，达到第二次平衡，由帕斯卡定理可得：

所述式(2)中，；且Δm

所述步骤3的过程，所增加的砝码重量并非是整数值，而是有公斤砝码和克组(毫克组)砝码组成的；

所述步骤3的二次平衡过程中，可以将增加砝码过程中的所有克组(毫克组)砝码均归置与被检活塞式压力计上；

所述步骤3的二次平衡中，通过使用两块彼此互斥的钕铁硼磁铁，采用磁场斥力代替克组(毫克组)砝码的重力作用；

最后进行步骤4、通过步骤2、3测得的数据进行相关计算，对待校准活塞进行校准；

所述步骤4中，将步骤2、3测定得到的数据即式(1)与式(2)相减可以得到：

所述式(3)中，因为S

所述步骤4的相关计算，当进行步骤3后，第二次平衡后，磁场发挥作用产生斥力，向下的作用力辅助活塞式压力计校准系统平衡，同时向上的反作用力使得天平秤量的m

设公斤砝码添加量为ΔM，则(3)式可变换为：

因此，被测活塞面积可计算得到：

具体实施时，本实施例1在步骤1校准系统搭建完成后，执行了共10次步骤2、步骤3、步骤4；具体的校准数据结果见下表1；

表1活塞式压力机校准数据

由上表1活塞式压力机校准数据，10次测试数据算术平均后，可得S

而实验标准差S

对比例1、采用现有技术的一种利用数字压力计为标准的活塞式压力计校准方法完成一台(1～60)MPa活塞式压力计的校准

本次对比例1所校准的活塞式压力计与实施例1为同款压力计，所采用的标准活塞式压力计的面积亦为0.098112cm

综合分析发现，采用现有技术的校准方法不符合JJG 59-2022最新的国家规程原理中的相关校准要求，且本实施例1的校准方法仅限于0.05级以下低等级活塞，应用层次较低，无法精准校准本发明实施例1所校准的同款(1～60)MPa活塞式压力计。

综上所述，本专利技术方案，基于电磁力平衡原理，通过磁场斥力相等、方向相反的特点，将原本用于平衡的砝码重力用天平等标准器代替，无需人为手动加减砝码，直接由天平称量平衡力；并通过综合采用激光位置传感器反馈信号，设计自动校准辅助平衡装置，摒弃传统方法中人为手动调节校准系统平衡的过程；减少了校准过程中可能因为人为因素而产生粗大误差与随机误差的可能，大大增加了校准的精确性；通过电磁平衡原理的方式，将手动放置砝码达到平衡的过程转变为天平实时连续读取力值最终实现平衡的过程，从而使关键参数平衡质量数据自动获取，最终实现了活塞式压力计校准过程的自动化，提高了校准方法的自动化程度，并且使得本发明方法更加符合新版的检定规程，实现了更高质量的活塞式压力计校准。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员，无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。