美國NIST研究團隊采用高精度壓力傳感器校準活塞壓力計的方法

       目前活塞壓力計的校準方法國內(nèi)大多才有起始平衡法，此方法耗時耗力，給工作人員帶來很大的負擔，最近看到美國NIST物理測量實驗室的研究人員采用的一種新型快速的校準方法，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)實驗室還是政府實驗室機構(gòu)，為了確保壓力測量設(shè)備的準確度，通常都需要可靠的壓力源。他們一般使用活塞式壓力計作為這種壓力源?；钊綁毫τ嬍怯梢粋€金屬圓柱體作為活塞、一個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。美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)物理測量實驗室(PML)的研究人員為海軍、陸軍、航空公司和電力公司等多個客戶提供活塞式壓力計的精確校準服務(wù)。

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

       壓力是對施加到單位面積的力的量度。對于活塞式壓力計，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行校正后的面積可稱為“有效面積”。因此，活塞式壓力計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演示了如何校準活塞式壓力計。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校準服務(wù)的客戶包括航空公司、電力公司和軍方。

       為了校準客戶的壓力計，研究人員需要調(diào)平兩套活塞式壓力計產(chǎn)生的壓力，一套是客戶的被檢活塞式壓力計，另一套是NIST的標準活塞式壓力計。標準壓力計的規(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稱質(zhì)量的砝碼同時置于被檢壓力計和標準壓力計之上。

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

       在傳統(tǒng)的手動校準方法中，兩套壓力計都與差壓指示儀連接，差壓指示儀的刻度盤可顯示標準與被檢活塞式壓力計之間的壓力差。調(diào)平時，研究人員需要在活塞式壓力計的頂部增減不同質(zhì)量的砝碼，有的甚至小至5毫克(mg)。一旦壓力達到平衡，研究人員就會記錄客戶的被檢壓力計所放置砝碼的質(zhì)量，從而計算有效面積。然后在活塞式壓力計測量范圍內(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告提供給客戶，根據(jù)該報告，客戶可以對活塞式壓力計的所有測量結(jié)果進行修正。

       這種方法聽起來很簡單，但實際操作卻非常耗時，因為研究人員必須使被檢儀表和標準儀表之間達到近乎完美的平衡狀態(tài)。

       NIST物理測量實驗室(PML)的工作人員Julia Scherschligt介紹說：“用傳統(tǒng)的方法校準壓力計時，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，防止氣流影響其性能;還要向壓力計內(nèi)充入氮氣，防止活塞落到活塞筒的底部;然后手動旋轉(zhuǎn)壓力計，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?！?/p>

       大約一年前，該團隊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壓力計產(chǎn)生的壓力進行采樣，然后在幾秒內(nèi)對另一個壓力計產(chǎn)生的壓力進行采樣。工作人員無需增減小砝碼，只需將相同質(zhì)量的標準砝碼放在兩個壓力計的頂部，然后在需要時向每邊添加一點氮氣。很快，依靠計算機就能自動處理整個校準過程，屆時工作人員甚至都不必手動切換氮氣開關(guān)。

       Scherschligt表示新系統(tǒng)的優(yōu)點在于傳感器本身不需要校準。她說：“該系統(tǒng)是一種能實時將NIST標準活塞式壓力計的量值傳遞到客戶的被檢壓力計的裝置。傳感器的準確度并不重要，只要它能夠?qū)毫ψ兓a(chǎn)生線性響應(yīng)，哪怕是幾個數(shù)量級的偏差都不會對結(jié)果產(chǎn)生影響。”

       研究人員相信這種新方法能節(jié)省大量時間。此外，這種新方法的測量準確度都可達到百萬分之幾，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的活塞式壓力計仍需手動校準。NIST研究團隊計劃將目前這個部分自動化校準系統(tǒng)升級到14 MPa(約2000 psi)，并繼續(xù)致力于研制出一個完全自動化的系統(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。