上海市质量技术监督局于 2013年10月底下达了“超高压活塞压力计的比对方法及装置研究”公益基金项目,项目编号:2013-09,为期两年半。本项目就是要研制出一套切实可行的超高压活塞间的测量比对装置,实现超高压活塞压力计间的比对实验,并通过比对分析研究,完善其量值复现机理和试验方法,探索其内在联系和理论依据,完善量值复现的评价体系,推动超高压国家基准的相关技术发展。
可控间隙活塞的比对方法研究就是对我院的两套装置进行比对试验研究,对复现量值的准确性和稳定性进行评估,对量值进行保存。实现对现有的超高压活塞压力计进行量值传递。由于超高压活塞压力计本身特性,很难像常压活塞一样用起始平衡法和直接平衡法来判断压力平衡,如果直接用一个锰铜压力计作为传递标准来测量又受到锰铜压力计测量准确度的限制,无法满足测量要求。因此我们采用差压锰铜压力计辅助平衡的方式间接测量比对压力计的微小压力差来实现压力量值传递。第二个内容是用国家基准与自由形变活塞的比对试验,研制测量装置和研究形变系数测定方法。
完成了计划任务书要求的比对装置实物;
1. 一体式超高压差压锰铜压力计辅助平衡装置
静压(500~1000)MPa,差压±5MPa,线性误差小于0.05%FS
2. 定超高压容切断阀、超高压液-液隔离器。操作压力1000MPa
通过比对试验方法研究,实现了国家基准与250MPa、400MPa、500MPa自由形变活塞式压力计以及可控间隙活塞压力计的比对试验。
国际上,一般在500MPa以下用自由形变活塞式压力计,在500MPa以上用可控间隙活塞式压力计。国际上最先进的自由形变活塞式压力计基准的溯源方法是采用亚纳米位移激光干涉仪进行活塞组件的直径、圆度、直线度测量来构建其三维几何模型,根据其包络面确定活塞系统的有效面积。用有限元分析的方法确定活塞系统的形变系数。大多数国家还是使用大面积小压力活塞(低压力基准活塞)传递小面积大压力活塞并通过拉美公式计算形变系数。意大利IMGC的Molinar对DHI公司的简单活塞式压力计PG7302和可控间隙活塞式压力计PG7607在200MPa压力以下进行了变形系数有限元分析,理论和试验结果一致性较好。PTB、LNE等机构的实验结果在高压端和拉美公式的计算结果有较大的偏离。
国家院和304所都购置了DHI的500MPa活塞压力计,相互也进行了比对。国家院还参加了2009年的500MPa压力计的国际比对,比对结果是形变系数有较大的出入。
我们院的1500MPa国家基准先后和250MPa一等活塞、800MPa返压活塞压力计进行过多次比较,取得了一定的经验,也发表过相关论文。间接比较法测量超高压活塞是我们首创的方法,本项目进一步可以完善了这一测量方法。
本项目的创造性和先进性主要表现在研制的一体式超高压差压锰铜压力计辅助平衡装置,采用锰铜压力计作为测压芯体,通过桥臂电阻的匹配,构建了测压惠斯登电桥,实现了超高压可控间隙活塞式压力计的比对。一体式的电桥结构,抵消了温度漂移的影响,提高了差压测量的准确度,使差压测量线性误差小于±0.04%BSL,实现了超高压力下差压测量的功能。通过比对方法研究,对可控间隙活塞式压力计和高压自由形变活塞式压力计进行了比对,复现了自由形变活塞式压力计的零压力下的有效面积和形变系数。设计了超高压力定容切断阀(UHP-CVV)和超高压力液液隔离器,有利于高压活塞量值传递时压力的发生和压力管道的连接以及在量值比对时更容易实现平衡状态。
通过本项目研究完善了超高压活塞量值复现机理和试验方法,探索其内在的联系和理论依据,完善量值复现的评价体系,对于基准量值的保存意义重大,推动超高压国家基准的相关技术发展。本项目的研究促进了两个传递系统间的量值统一;促进了超高压活塞式压力计的量值传递工作;为超高压国际比对创造必要的条件。