活塞壓力計概述
活塞壓力計概述 DH一博登公司中國代表處 岑月琴 王瑞科
摘要：目前，活塞壓力計作為壓力計量的主要手段，已經滲透到了幾乎所有的壓力范圍，這包括徽壓、氣壓和超高壓，活塞壓力計的測量不確定度也達到了壓力測的z*高境界。作為z*充滿活力的一種測壓手段，無貶，活塞壓力計將扮演越來越重要的角色。本文簡要介紹了活塞壓力計的原理、發展歷史、活塞分類和發展趨勢，井盆點強調了一些概念。力圖能給出一個概括的介紹。
關鍵詞：活塞壓力計 活塞組件 硅碼 天平 復雜活塞
一、引言 壓力作為非基本量，是由質量、長度和時間三個墓本量按照壓力定義公式導出的.物理學上有兩個基本定律，定義了兩種壓力側量標準，這就是活塞壓力計和液體壓力計。活塞壓力計直接按照壓力的定義公:P=F/A定義壓力，液體壓力計則由壓力作用在液面上產生的液柱差計算壓力:P=pgh。
長期以來 ，液體壓力計作為基準，主要定義低于400kPa以下的壓力，而活塞壓力計在l00kPa直到2500MPa的壓力范圍內定義壓力，對于更商的壓力則采用特定物質的相變點作為壓力的固定點，采用插值法分度壓力。近年來，隨著活塞加工工藝水平的提高和圓度洲f技術的發展，活塞壓力計的計量性能得到了巨大的發展，活塞壓力計在氣壓段定義的壓力不確定度已經達到了3m，在徽壓段定義的壓力不確定度也已達到30m，而成本和維護費用遠底于液體壓力計。毫無疑問，活塞壓力計在壓力計里方面將扮演越來越重要的角色。
二、活塞壓力計介紹 2.1 工作原理 活塞壓力計是以流體靜力學平衡原理及帕斯卡定律為墓礎測量壓力的，壓力定義公式如下: p=F/A 其中F為活塞及所加硅碼在重力場中產生的力，A為活塞的有效而積。活塞壓力計的原理如[圖1]由括塞組件和琺碼組組成。活塞在活塞筒內垂直地自由運動，壓力作用在活塞底面產生的力和加于活塞上端的硅碼重力相平衡。活塞底端的流體可為氣體或液體，活塞壓力計可用來測A氣體壓力和液體壓力。活塞壓力計的上端以及所加硅碼組有空氣包圍(絕壓測量則為真空)。 2. 2工作介質活塞壓力計按照設計分為氣介質和液體介質兩類。
油介質活塞壓力計可扭蓋幾十千帕直到2500MPa的壓力，油作為傳壓介質同時也潤滑活塞系統，通常油介質活塞壓力計集成有壓力發生和調節裝置，使用起來非常方便。由于在做低壓側t時，必須考慮液柱差的影響，因此限制了油介質活塞在低壓下的應用。
氣體活塞壓力計是非常適合低壓測量的，但是，如果用氣體潤滑活塞系統要求潔凈氣體，并且通過活塞間隙的氣體流量必須足夠小，否則，將影響活塞的分辨率。因此，氣潤滑氣介質活塞一般使用在7MPa以下。另一種為油潤滑、氣介質活塞，由于活塞間隙由油密封而變的非常穩定。氣壓側量可達150MPa。
2. 3活塞壓力計的質量水平 一個活塞壓力計的壓力測量質量受兩各方面的影響:
a) 我們對它的影響參致的認知水平
b) 壓力測量時的平衡質質量好的活塞平衡質量要求活塞具有好的延遲時間和下降速度，這就要求在以下方面做工作:
- 活 塞 加 工質量和活塞系統材料選取
-活塞的旋轉速度
- 降低 旋 轉部分的重心
-潤 滑 液 體的選擇
2. 3. 1加工質量和材料選取優質材料的選用以及優秀的加工工藝是活塞加工的關鍵，世界著名的活塞生產廠家可加工出活塞間隙只有十分之幾個徽米、延遲時間達幾個小時、下降速度優于0.lm m/分鐘的優質活塞。高硬度、低熱膨脹系數和彈性形變系數材料的選用，可使活塞z*大限度的保持初始的幾何形狀。
2.3.2活塞的旋轉 旋轉的活塞及祛碼具有轉動慣量而保持垂直取向，使活塞處于活塞筒的中央，在活塞間隙中產生一個均勻的潤滑膜，從而減小活塞和活塞筒之間的摩擦力，合適的轉動速度可使靡擦力z*小。轉動可以用手，也可以采用馬達，一般高梢度活塞壓力計采用馬達。 2. 3. 3旋轉部分的重心
為了使活塞處于活塞筒中央，一些活塞壓力計的祛碼承重盤設計為筒狀，使硅碼重心盡可能的低，這樣可保持活塞垂直井理想的在活塞筒中運動。
2.3.4潤清流體 潤滑流體的選擇也影響活塞的平衡質里，粘度大的流體，在通過活塞間隙時，摩擦力大，粘度小的流體在通過活塞間隙時，泄搖過快，難以穩定，因此，對于特定活塞，應該選擇合適粘度的流體，達到z*佳折衷。對于購買的活塞壓力計，建議不要輕易更改廠家推薦的潤滑流體。
2. 4自動壓力控制 當我們在 一個系統內設定一個穩定的壓力后，由于系統的泄件或沮度變化等原因，租住壓力是很不容易的。活塞壓力計卻不同，它具有自動壓力控制能力，一旦壓力被設定.由于活塞在上、下限之間運動，自動調節系統容積，保持壓力恒定。只要一個外部壓力發生器加壓活塞到工作位里，在活塞浮動期間，系統自動調節，保持壓力不變。 2. 5修正系數及其影響這里我們再次提起壓力定義公式:P=F/A，壓力的測里依旗于我們對力F和面積A的認知。
2.5.1力的確定 處于重力場中的祛碼M產生的力可表示為: F= M g(1--ρa/ρM) 其中M為當地的重力加速度。在作表壓測量時，砝碼還受到大氣壓力的浮力，考慮到浮力影響，力可表示為: F=Mg (1-ρa/ρM)+ΓπD這里Γ是流體的表面張力系數，D為活塞的直徑，在作低精度測量時，該項可忽略。
2.5.2活塞組件有效面積的確定活塞組件的有效面積是溫度和壓力的函數，可表示為: A=A0[1+(αc +αμ)(t-20℃)](1+λP)A0為活塞組件在零壓和20℃下的有效面積.對于理想幾何形狀的活塞，活塞筒和活塞桿之間的間隙內流體的流動為層流，在中立面，層之間的相對流速為零，層之間沒有膝擦力，因此，中立面的半徑即為活塞組件的有效半徑，根據經典的粘性流體力學可知，兩個圓柱面間流動的流體中立面半徑為: 其中R為活塞簡半徑，r為活塞半徑，取活塞間隙為h，則R=r+h，代入上式并取一級近似有: 則活塞組件的有效面積為: A0=πR2n=πr2+πrh 即:活塞組件的有效面積為活塞桿的面積與活塞間隙面積的一半。
活塞組件的有效面積可由三種方法得到:
a) 直接幾何尺寸側量
b) 下降速度測量
c) 由上級標準傳遞得到 [I+αc+αP(t-20'C)]項為溫度變化修正項，αc和αP為活塞桿和活塞筒的線性熱形脹系數，t為活塞組件溫度。(1+λP)項為壓力形變修正項，λ為壓力形變系數，P為工作壓力。對于自由形變活塞，壓力形變系數可由理論導出，反壓型活塞，則壓力形變系數由實驗得到。 一般活塞壓力計測量的壓力可表示為: 要獲得必要的測量精度，必須對上式中的參數予以重視。另外，還有一種活塞壓力計，在一般校準實驗室很少見到，這就是可控間隙活塞壓力計，它主要用于高壓測量和研究工作。對于可控間隙活塞壓力計，活塞組件的有效面積還與控隙壓力有關，可控間隙活塞組件的有效面積表示為: A=Ap[1+(αc+αP)(t-20'C)](1+λP)[1+d(p2-pj)] 其所定義的壓力可表示為: 三、活塞壓力計發展歷史的回顧進入十九世紀，隨著西方工業化的發展，采用液柱測量壓力已經不能滿足工業的需要，人們自然要尋找高壓側量的途徑，這就是活塞壓力計。類似今天活塞壓力計的出現，可以追溯到180年以前。十九世紀初，Perkin在研究流體壓縮性時，制造了一臺活塞壓力計，可產生200MPa的壓力，活塞為簡單結構，磚碼通過杠桿加于活塞上。后來，由于蒸汽機的發展，帶動了活塞壓力計的發展，1833年，Parrot等人制造了一臺1OMPa類似結構的活塞壓力計。1846年，法國人Galy-Cazalat介紹了一種設計新穎的活塞壓力計，包括兩個直徑不同的活塞，通過機械方式藕合。壓力通過椒膠腆片作用在小活塞上并以力的形式傳通給大活塞，大活塞上端為水銀柱，由水銀柱平衡壓力并指示壓力，這樣可以通過水銀柱乘以大、小活塞面積比得到壓力。通過改變面積比，可以測量大到100MPa的壓力。該活塞壓力計就是當今倍壓器和分壓器的雛形。1869年，Sey設計了雙f程活墓壓力計，兩個不同直徑的活塞，同軸的安裝在一個活塞筒中，大大拓寬了活塞壓力計的里程，這就是當今雙盤程活塞的祖先。1880年，Cailleyet設計T 150MPa.精度0.5%的活塞壓力計，把活塞間隙加工到5Pm，這在當時是一件了不起的事清. 1894年.StGckrath設計了帶有承重盤的活塞， 并且活塞的靈敏度達到了0.04%.1893年，法國人Amagat為T研究氣體的壓縮系數，設計了一臺300MPa的活塞壓力計，與眾不同的是，Amagat沒有在活塞上使用密封材料，也沒有使用橡膠膜片，而是在活塞柱體表面的加工和測量上下了一番工夫，從而使活塞可以自由旋轉，大大提高了活塞的靈敏度。1903年，英國L研制了差動活塞，原理如[圖2]，解決了高壓下活塞桿過細帶來的活塞桿變形和折斷問題。1912年，Bridgman在研究壓力對材料性能的影響時，需要高壓，而當時的活塞壓力計只能達到300MPa，不能滿足研究的需要，為了解決在高壓下測壓介質通過活塞間隙泄露的問題，Bridgman設計了工作壓力大于1300MPa的反壓型活塞，z*商可達2000MPa，這是z*早的反壓型活塞。1953年， 美國(現NIST)設計了可控間隙活塞壓力計。四、活塞壓力計的分類活塞壓力計有多種分類方法，可以按照活塞組件的設計結構分類，也可按照介質或測力方式分類。
4. 1按照活塞組件結構分類 按照活塞組件結構，活塞壓力計可分為簡單活塞、差動活塞、反壓型活塞和可控間隙活塞。
4. 1. 1簡單活塞 壓力僅作用在活塞筒的底部和內表面，在間隙內壓力的作用下，活塞簡自由形變，直徑增大，而活塞桿的直徑變化遠小于活塞筒，活塞間限內流體的中立面半徑變大，有效面積增大，壓力形變系數可通過理論計算得到。簡單活塞，加工工藝簡單，活塞靈敏度高，因此得到了廣泛的應用。
4. 1. 2差動活塞 差動活塞由兩套活塞組件通過機械偶合結合起來，壓力作用在兩個活塞的連接處，活塞的有效面積為兩弈活塞面積之差。差動活塞活塞桿較粗，有效面積很小，主要用于高壓，解決細活塞桿容易變形和折斷的問題。這種活塞加工較為復雜。
4.1.3反壓型活塞 反壓型活塞在結構設計或安裝結構設計上，可將被側壓力導入活塞筒外表面，用以補償活塞間隙中壓力引起的活塞筒形變。當活塞筒壁較薄或測量壓力較高時，可以考慮采用這種結構。如DH公司的5301型油介質活塞壓力計即采用這種設計。由于活塞筒外部壓力總是大于間隙壓力，活塞的有效面積隨著壓力增大減小，壓力形變系效為負值并可通過實驗獲褥。
4.1.4可控間隙活塞 可控間隙活塞是在簡單活塞的活塞筒外壁施加獨立的壓力，搜側活鑫和活塞簡之間的間隙的活塞壓力計。這種活塞壓力計主要用于高壓測量和壓力計量研究工作中。近年來，隨著活塞技術的發展，在高精度低壓測量中，也采用了可控間隙技術，如，NIST的PG-27油介質活塞和DHI的PG7607氣體活塞。
4. 2按照工作模式分類 按照工作模式，活塞壓力計可分為氣潤滑氣介質活塞、油潤滑氣介質活塞和油介質活塞三種。
4.2.1氣潤滑氣介質活塞 氣潤滑氣介質活塞測壓介質為氣體，活塞間隙內的潤滑流體為測壓氣體。由于氣體的粘度很小，所以活塞的靈敏度很高，適合做高精度低壓力測量。缺點是對測壓氣體和被檢儀表的潔凈度和濕度要求很嚴格，同時做高壓測量不易穩定，一般量程不高于7MPa。這種類型的活塞s*先由美國CEC公司推出，現在法國DH公司生產的APX5D氣潤滑氣介質活塞不確定度已達到3m，并成為取代汞被體壓力計的基準在LNE使用。
4.2.2油潤淆氣介質活塞 油潤滑氣介質活塞談叮壓介質為氣體，活塞間隙內的潤淆流體為液體，工作原理如[圖3]:一個可視液面的油杯低部和活塞筒相連。被測壓力Pg同時作用在活塞低部和油杯液面上，活塞間隙中的液體壓力i=Pg+pgh，這個壓力總是比測量壓力Pg高出一個液柱差。由于壓差不大且活塞間隙很小，進入系統的液體徽乎其微，并且可分離到收集器，定期排除。由于采用液體潤滑，活塞間隙被液體密封而沒有泄漏，因此，可做高壓禁油壓力儀衰的檢定，z*高壓力可達150MPa，典型產品有法國DH公司的5200型氣體活塞壓力計。
4.2.3油介質活塞 油介質活塞測壓介質和潤滑液均為油，適于作為中、高壓標準，并被廣泛應用。
4. 3按測力方式分類 我們知道，活塞壓力計是通過向長度和質盤溯源來定義壓力的，質量的標準傳遞過程為砧碼和天平組成的傳遞鏈，活塞壓力計即可采用祛碼測量壓力作用在活塞有效面積上產生的力，也可采用天平測量壓力作用在活塞有效面積上產生的力，由此，活塞壓力計分為硅碼式活塞壓力計和天平式活塞壓力計。對于砝碼式活塞壓力計，我們大家都不陌生，但對天平式活塞壓力計，可能大家并不熟悉，這里簡單予以介紹。 天平式活塞壓力計天平式活塞壓力計包括活塞組件、天平、標準砝碼和底座。原理如[圖4]，被測壓力通過活塞轉化為力，作用在的天平橫梁的一端，另一端采用祛碼平衡，根據所加平衡硅碼及天平兩端借長比，即可測出力值，即:Mgx1=PxAgx1'。天平可不等臂，從而可采用這種活塞壓力計測里徽壓和高壓。其實，早期高壓活塞壓力計即采用這種結構，八十年代初計量院、上海計量所、西安自動化儀表研究所和上海天平廠曾經聯合研制這種天平式微壓活塞壓力計，以裝備計量院、上海計量所和西安自動化儀表研究所，并試制成功兩臺這樣的設備，由于后續經費無法落實，沒能完成調試工作.這兩臺設備目前封存在上海計量院和西安儀表廠。與我國同期研究這種活塞壓力計的還有法國DH公司，他們在七十年代末開始設計并于八十年代初設計完成，成為商品。到目前已經多次更新換代，并采用電子天平，實現了活塞壓力計的數字化和檢定點的連續化。美國DHI和日本INLI及NASA合作，也在去年設計完成了三臺FPG微壓活塞壓力計，并作為標準裝備了NRLM, NASA和DHI。在這種活塞壓力計的設計上，我國還是走在世界前列的，只可惜，我們沒能堅持下來。
五、復雜活塞系統 所謂復雜活塞系統，是由活塞壓力計演變出來的，完成一般活塞壓力計所不能完成的特殊校準任務的活塞。這種活塞，對生產廠家的加工能力要求很高，所以，生產廠家不多，市場上也較少見。常見的有雙量程活塞、壓力倍增器和壓力差分器。
5.1雙量程活塞 雙量程活塞結構圖 如[圖5]: 活塞組件包括低量程活塞、高量程活塞、輔助活塞和活塞筒。低壓下，低量程活塞在壓力作用下向上移動，頂起輔助活塞和祛碼到工作位置，當壓力繼續增高到低量程活塞滿量程時，繼續升高壓力，低量程活塞和活塞筒低部接觸而停止工作。高量程活塞在壓力作用下，繼續向上頂起輔助活塞和祛碼到高量程活塞的工作位里。一般活塞扭蓋量程十分之一到滿量程的壓力范圍，雙量程活塞可扭蓋量程百分之一到滿量程的壓力范圍。而且使用起來非常方便。但是，加工這種活塞需要三個活塞面和兩個活塞筒面同軸，這要比加工通常活塞(要求一個活塞面和一個活塞筒面同軸)困難得多。英國博登(Budeerg)壓力表公司的580DX活塞壓力計即為這種結構。
5.2壓力倍增器 壓力倍增器的設計是為了把高壓活塞壓力計的量程向上延伸數倍，使高壓活塞壓力計即可做一般高壓測量，也可做超高壓測量。 壓力倍增器的結構如[圖6]：它包括兩套耦合的活塞，低壓活塞的面積是高壓活塞的數倍(設為K)，當壓力倍增器的禍合活塞達到平衡時，高壓活塞上端的壓力是低壓活塞下端的壓力的K倍。活塞的面積比K即為壓力倍增器的計量參數。一般壓力倍增器的兩個活塞組采用同一材料制造，溫度膨脹系數相同，K值不受溫度影響。而由于兩組活塞所受壓力不同，K值是壓力的函數:K=K0x(1+λp),λ可由試驗得到。法國DH公司生產的超高壓活塞壓力計即采用了壓力倍增器，這種超高壓標準與可控間隙超高壓活塞相比，測量起始壓力低，結構小巧輕便，可以方便的移動。
5.3壓力差分器 壓力差分器的設計是為了靜壓下小差壓的測量，靜壓可為任何負壓、正壓，z*高可達40MPa。結構如[圖7]:它包括三組同軸的活塞，上、下活塞面積相等，中間活塞的面積是上、下活塞的數倍(設為K)。活塞之間有兩個腔體，腔內被導入靜壓后由閥門分離，上方腔體加以小壓力△p，則由此增加的向下的附加力為(S-s) xAp，要使壓力差分器活塞平衡，則必須在下端活塞底部增加壓力卻，△p平面，使SX△P平面=(S-s)x△p，則 圖7 △p平面和靜壓可由其它活塞測量，從而可得到差壓，差壓量程由面積比確定，且為壓力差分器w*的參數Ka, Kd不受溫度和壓力的影響。這種差壓測量方法，所測差壓可以很小，且與靜壓無關，操作非常方便，這是雙活塞活塞壓力計所做不到的。DH公司的1500即是典型的壓力差分器，Kd為100。
參考文獻 1.The preure balance-Theort and Parctice.L,1982 2. A Oolwa，"Novel Non-rotational Piston Gauge with Small Differential Preure".Merrologia.Volume 30,No.6.p.607-610，1994. 3.Preure Metrology,DH,2002
摘要：目前，活塞壓力計作為壓力計量的主要手段，已經滲透到了幾乎所有的壓力范圍，這包括徽壓、氣壓和超高壓，活塞壓力計的測量不確定度也達到了壓力測的z*高境界。作為z*充滿活力的一種測壓手段，無貶，活塞壓力計將扮演越來越重要的角色。本文簡要介紹了活塞壓力計的原理、發展歷史、活塞分類和發展趨勢，井盆點強調了一些概念。力圖能給出一個概括的介紹。
關鍵詞：活塞壓力計 活塞組件 硅碼 天平 復雜活塞
一、引言 壓力作為非基本量，是由質量、長度和時間三個墓本量按照壓力定義公式導出的.物理學上有兩個基本定律，定義了兩種壓力側量標準，這就是活塞壓力計和液體壓力計。活塞壓力計直接按照壓力的定義公:P=F/A定義壓力，液體壓力計則由壓力作用在液面上產生的液柱差計算壓力:P=pgh。
長期以來 ，液體壓力計作為基準，主要定義低于400kPa以下的壓力，而活塞壓力計在l00kPa直到2500MPa的壓力范圍內定義壓力，對于更商的壓力則采用特定物質的相變點作為壓力的固定點，采用插值法分度壓力。近年來，隨著活塞加工工藝水平的提高和圓度洲f技術的發展，活塞壓力計的計量性能得到了巨大的發展，活塞壓力計在氣壓段定義的壓力不確定度已經達到了3m，在徽壓段定義的壓力不確定度也已達到30m，而成本和維護費用遠底于液體壓力計。毫無疑問，活塞壓力計在壓力計里方面將扮演越來越重要的角色。
二、活塞壓力計介紹 2.1 工作原理 活塞壓力計是以流體靜力學平衡原理及帕斯卡定律為墓礎測量壓力的，壓力定義公式如下: p=F/A 其中F為活塞及所加硅碼在重力場中產生的力，A為活塞的有效而積。活塞壓力計的原理如[圖1]由括塞組件和琺碼組組成。活塞在活塞筒內垂直地自由運動，壓力作用在活塞底面產生的力和加于活塞上端的硅碼重力相平衡。活塞底端的流體可為氣體或液體，活塞壓力計可用來測A氣體壓力和液體壓力。活塞壓力計的上端以及所加硅碼組有空氣包圍(絕壓測量則為真空)。 2. 2工作介質活塞壓力計按照設計分為氣介質和液體介質兩類。
油介質活塞壓力計可扭蓋幾十千帕直到2500MPa的壓力，油作為傳壓介質同時也潤滑活塞系統，通常油介質活塞壓力計集成有壓力發生和調節裝置，使用起來非常方便。由于在做低壓側t時，必須考慮液柱差的影響，因此限制了油介質活塞在低壓下的應用。
氣體活塞壓力計是非常適合低壓測量的，但是，如果用氣體潤滑活塞系統要求潔凈氣體，并且通過活塞間隙的氣體流量必須足夠小，否則，將影響活塞的分辨率。因此，氣潤滑氣介質活塞一般使用在7MPa以下。另一種為油潤滑、氣介質活塞，由于活塞間隙由油密封而變的非常穩定。氣壓側量可達150MPa。
2. 3活塞壓力計的質量水平 一個活塞壓力計的壓力測量質量受兩各方面的影響:
a) 我們對它的影響參致的認知水平
b) 壓力測量時的平衡質質量好的活塞平衡質量要求活塞具有好的延遲時間和下降速度，這就要求在以下方面做工作:
- 活 塞 加 工質量和活塞系統材料選取
-活塞的旋轉速度
- 降低 旋 轉部分的重心
-潤 滑 液 體的選擇
2. 3. 1加工質量和材料選取優質材料的選用以及優秀的加工工藝是活塞加工的關鍵，世界著名的活塞生產廠家可加工出活塞間隙只有十分之幾個徽米、延遲時間達幾個小時、下降速度優于0.lm m/分鐘的優質活塞。高硬度、低熱膨脹系數和彈性形變系數材料的選用，可使活塞z*大限度的保持初始的幾何形狀。
2.3.2活塞的旋轉 旋轉的活塞及祛碼具有轉動慣量而保持垂直取向，使活塞處于活塞筒的中央，在活塞間隙中產生一個均勻的潤滑膜，從而減小活塞和活塞筒之間的摩擦力，合適的轉動速度可使靡擦力z*小。轉動可以用手，也可以采用馬達，一般高梢度活塞壓力計采用馬達。 2. 3. 3旋轉部分的重心
為了使活塞處于活塞筒中央，一些活塞壓力計的祛碼承重盤設計為筒狀，使硅碼重心盡可能的低，這樣可保持活塞垂直井理想的在活塞筒中運動。
2.3.4潤清流體 潤滑流體的選擇也影響活塞的平衡質里，粘度大的流體，在通過活塞間隙時，摩擦力大，粘度小的流體在通過活塞間隙時，泄搖過快，難以穩定，因此，對于特定活塞，應該選擇合適粘度的流體，達到z*佳折衷。對于購買的活塞壓力計，建議不要輕易更改廠家推薦的潤滑流體。
2. 4自動壓力控制 當我們在 一個系統內設定一個穩定的壓力后，由于系統的泄件或沮度變化等原因，租住壓力是很不容易的。活塞壓力計卻不同，它具有自動壓力控制能力，一旦壓力被設定.由于活塞在上、下限之間運動，自動調節系統容積，保持壓力恒定。只要一個外部壓力發生器加壓活塞到工作位里，在活塞浮動期間，系統自動調節，保持壓力不變。 2. 5修正系數及其影響這里我們再次提起壓力定義公式:P=F/A，壓力的測里依旗于我們對力F和面積A的認知。
2.5.1力的確定 處于重力場中的祛碼M產生的力可表示為: F= M g(1--ρa/ρM) 其中M為當地的重力加速度。在作表壓測量時，砝碼還受到大氣壓力的浮力，考慮到浮力影響，力可表示為: F=Mg (1-ρa/ρM)+ΓπD這里Γ是流體的表面張力系數，D為活塞的直徑，在作低精度測量時，該項可忽略。
2.5.2活塞組件有效面積的確定活塞組件的有效面積是溫度和壓力的函數，可表示為: A=A0[1+(αc +αμ)(t-20℃)](1+λP)A0為活塞組件在零壓和20℃下的有效面積.對于理想幾何形狀的活塞，活塞筒和活塞桿之間的間隙內流體的流動為層流，在中立面，層之間的相對流速為零，層之間沒有膝擦力，因此，中立面的半徑即為活塞組件的有效半徑，根據經典的粘性流體力學可知，兩個圓柱面間流動的流體中立面半徑為: 其中R為活塞簡半徑，r為活塞半徑，取活塞間隙為h，則R=r+h，代入上式并取一級近似有: 則活塞組件的有效面積為: A0=πR2n=πr2+πrh 即:活塞組件的有效面積為活塞桿的面積與活塞間隙面積的一半。
活塞組件的有效面積可由三種方法得到:
a) 直接幾何尺寸側量
b) 下降速度測量
c) 由上級標準傳遞得到 [I+αc+αP(t-20'C)]項為溫度變化修正項，αc和αP為活塞桿和活塞筒的線性熱形脹系數，t為活塞組件溫度。(1+λP)項為壓力形變修正項，λ為壓力形變系數，P為工作壓力。對于自由形變活塞，壓力形變系數可由理論導出，反壓型活塞，則壓力形變系數由實驗得到。 一般活塞壓力計測量的壓力可表示為: 要獲得必要的測量精度，必須對上式中的參數予以重視。另外，還有一種活塞壓力計，在一般校準實驗室很少見到，這就是可控間隙活塞壓力計，它主要用于高壓測量和研究工作。對于可控間隙活塞壓力計，活塞組件的有效面積還與控隙壓力有關，可控間隙活塞組件的有效面積表示為: A=Ap[1+(αc+αP)(t-20'C)](1+λP)[1+d(p2-pj)] 其所定義的壓力可表示為: 三、活塞壓力計發展歷史的回顧進入十九世紀，隨著西方工業化的發展，采用液柱測量壓力已經不能滿足工業的需要，人們自然要尋找高壓側量的途徑，這就是活塞壓力計。類似今天活塞壓力計的出現，可以追溯到180年以前。十九世紀初，Perkin在研究流體壓縮性時，制造了一臺活塞壓力計，可產生200MPa的壓力，活塞為簡單結構，磚碼通過杠桿加于活塞上。后來，由于蒸汽機的發展，帶動了活塞壓力計的發展，1833年，Parrot等人制造了一臺1OMPa類似結構的活塞壓力計。1846年，法國人Galy-Cazalat介紹了一種設計新穎的活塞壓力計，包括兩個直徑不同的活塞，通過機械方式藕合。壓力通過椒膠腆片作用在小活塞上并以力的形式傳通給大活塞，大活塞上端為水銀柱，由水銀柱平衡壓力并指示壓力，這樣可以通過水銀柱乘以大、小活塞面積比得到壓力。通過改變面積比，可以測量大到100MPa的壓力。該活塞壓力計就是當今倍壓器和分壓器的雛形。1869年，Sey設計了雙f程活墓壓力計，兩個不同直徑的活塞，同軸的安裝在一個活塞筒中，大大拓寬了活塞壓力計的里程，這就是當今雙盤程活塞的祖先。1880年，Cailleyet設計T 150MPa.精度0.5%的活塞壓力計，把活塞間隙加工到5Pm，這在當時是一件了不起的事清. 1894年.StGckrath設計了帶有承重盤的活塞， 并且活塞的靈敏度達到了0.04%.1893年，法國人Amagat為T研究氣體的壓縮系數，設計了一臺300MPa的活塞壓力計，與眾不同的是，Amagat沒有在活塞上使用密封材料，也沒有使用橡膠膜片，而是在活塞柱體表面的加工和測量上下了一番工夫，從而使活塞可以自由旋轉，大大提高了活塞的靈敏度。1903年，英國L研制了差動活塞，原理如[圖2]，解決了高壓下活塞桿過細帶來的活塞桿變形和折斷問題。1912年，Bridgman在研究壓力對材料性能的影響時，需要高壓，而當時的活塞壓力計只能達到300MPa，不能滿足研究的需要，為了解決在高壓下測壓介質通過活塞間隙泄露的問題，Bridgman設計了工作壓力大于1300MPa的反壓型活塞，z*商可達2000MPa，這是z*早的反壓型活塞。1953年， 美國(現NIST)設計了可控間隙活塞壓力計。四、活塞壓力計的分類活塞壓力計有多種分類方法，可以按照活塞組件的設計結構分類，也可按照介質或測力方式分類。
4. 1按照活塞組件結構分類 按照活塞組件結構，活塞壓力計可分為簡單活塞、差動活塞、反壓型活塞和可控間隙活塞。
4. 1. 1簡單活塞 壓力僅作用在活塞筒的底部和內表面，在間隙內壓力的作用下，活塞簡自由形變，直徑增大，而活塞桿的直徑變化遠小于活塞筒，活塞間限內流體的中立面半徑變大，有效面積增大，壓力形變系數可通過理論計算得到。簡單活塞，加工工藝簡單，活塞靈敏度高，因此得到了廣泛的應用。
4. 1. 2差動活塞 差動活塞由兩套活塞組件通過機械偶合結合起來，壓力作用在兩個活塞的連接處，活塞的有效面積為兩弈活塞面積之差。差動活塞活塞桿較粗，有效面積很小，主要用于高壓，解決細活塞桿容易變形和折斷的問題。這種活塞加工較為復雜。
4.1.3反壓型活塞 反壓型活塞在結構設計或安裝結構設計上，可將被側壓力導入活塞筒外表面，用以補償活塞間隙中壓力引起的活塞筒形變。當活塞筒壁較薄或測量壓力較高時，可以考慮采用這種結構。如DH公司的5301型油介質活塞壓力計即采用這種設計。由于活塞筒外部壓力總是大于間隙壓力，活塞的有效面積隨著壓力增大減小，壓力形變系效為負值并可通過實驗獲褥。
4.1.4可控間隙活塞 可控間隙活塞是在簡單活塞的活塞筒外壁施加獨立的壓力，搜側活鑫和活塞簡之間的間隙的活塞壓力計。這種活塞壓力計主要用于高壓測量和壓力計量研究工作中。近年來，隨著活塞技術的發展，在高精度低壓測量中，也采用了可控間隙技術，如，NIST的PG-27油介質活塞和DHI的PG7607氣體活塞。
4. 2按照工作模式分類 按照工作模式，活塞壓力計可分為氣潤滑氣介質活塞、油潤滑氣介質活塞和油介質活塞三種。
4.2.1氣潤滑氣介質活塞 氣潤滑氣介質活塞測壓介質為氣體，活塞間隙內的潤滑流體為測壓氣體。由于氣體的粘度很小，所以活塞的靈敏度很高，適合做高精度低壓力測量。缺點是對測壓氣體和被檢儀表的潔凈度和濕度要求很嚴格，同時做高壓測量不易穩定，一般量程不高于7MPa。這種類型的活塞s*先由美國CEC公司推出，現在法國DH公司生產的APX5D氣潤滑氣介質活塞不確定度已達到3m，并成為取代汞被體壓力計的基準在LNE使用。
4.2.2油潤淆氣介質活塞 油潤滑氣介質活塞談叮壓介質為氣體，活塞間隙內的潤淆流體為液體，工作原理如[圖3]:一個可視液面的油杯低部和活塞筒相連。被測壓力Pg同時作用在活塞低部和油杯液面上，活塞間隙中的液體壓力i=Pg+pgh，這個壓力總是比測量壓力Pg高出一個液柱差。由于壓差不大且活塞間隙很小，進入系統的液體徽乎其微，并且可分離到收集器，定期排除。由于采用液體潤滑，活塞間隙被液體密封而沒有泄漏，因此，可做高壓禁油壓力儀衰的檢定，z*高壓力可達150MPa，典型產品有法國DH公司的5200型氣體活塞壓力計。
4.2.3油介質活塞 油介質活塞測壓介質和潤滑液均為油，適于作為中、高壓標準，并被廣泛應用。
4. 3按測力方式分類 我們知道，活塞壓力計是通過向長度和質盤溯源來定義壓力的，質量的標準傳遞過程為砧碼和天平組成的傳遞鏈，活塞壓力計即可采用祛碼測量壓力作用在活塞有效面積上產生的力，也可采用天平測量壓力作用在活塞有效面積上產生的力，由此，活塞壓力計分為硅碼式活塞壓力計和天平式活塞壓力計。對于砝碼式活塞壓力計，我們大家都不陌生，但對天平式活塞壓力計，可能大家并不熟悉，這里簡單予以介紹。 天平式活塞壓力計天平式活塞壓力計包括活塞組件、天平、標準砝碼和底座。原理如[圖4]，被測壓力通過活塞轉化為力，作用在的天平橫梁的一端，另一端采用祛碼平衡，根據所加平衡硅碼及天平兩端借長比，即可測出力值，即:Mgx1=PxAgx1'。天平可不等臂，從而可采用這種活塞壓力計測里徽壓和高壓。其實，早期高壓活塞壓力計即采用這種結構，八十年代初計量院、上海計量所、西安自動化儀表研究所和上海天平廠曾經聯合研制這種天平式微壓活塞壓力計，以裝備計量院、上海計量所和西安自動化儀表研究所，并試制成功兩臺這樣的設備，由于后續經費無法落實，沒能完成調試工作.這兩臺設備目前封存在上海計量院和西安儀表廠。與我國同期研究這種活塞壓力計的還有法國DH公司，他們在七十年代末開始設計并于八十年代初設計完成，成為商品。到目前已經多次更新換代，并采用電子天平，實現了活塞壓力計的數字化和檢定點的連續化。美國DHI和日本INLI及NASA合作，也在去年設計完成了三臺FPG微壓活塞壓力計，并作為標準裝備了NRLM, NASA和DHI。在這種活塞壓力計的設計上，我國還是走在世界前列的，只可惜，我們沒能堅持下來。
五、復雜活塞系統 所謂復雜活塞系統，是由活塞壓力計演變出來的，完成一般活塞壓力計所不能完成的特殊校準任務的活塞。這種活塞，對生產廠家的加工能力要求很高，所以，生產廠家不多，市場上也較少見。常見的有雙量程活塞、壓力倍增器和壓力差分器。
5.1雙量程活塞 雙量程活塞結構圖 如[圖5]: 活塞組件包括低量程活塞、高量程活塞、輔助活塞和活塞筒。低壓下，低量程活塞在壓力作用下向上移動，頂起輔助活塞和祛碼到工作位置，當壓力繼續增高到低量程活塞滿量程時，繼續升高壓力，低量程活塞和活塞筒低部接觸而停止工作。高量程活塞在壓力作用下，繼續向上頂起輔助活塞和祛碼到高量程活塞的工作位里。一般活塞扭蓋量程十分之一到滿量程的壓力范圍，雙量程活塞可扭蓋量程百分之一到滿量程的壓力范圍。而且使用起來非常方便。但是，加工這種活塞需要三個活塞面和兩個活塞筒面同軸，這要比加工通常活塞(要求一個活塞面和一個活塞筒面同軸)困難得多。英國博登(Budeerg)壓力表公司的580DX活塞壓力計即為這種結構。
5.2壓力倍增器 壓力倍增器的設計是為了把高壓活塞壓力計的量程向上延伸數倍，使高壓活塞壓力計即可做一般高壓測量，也可做超高壓測量。 壓力倍增器的結構如[圖6]：它包括兩套耦合的活塞，低壓活塞的面積是高壓活塞的數倍(設為K)，當壓力倍增器的禍合活塞達到平衡時，高壓活塞上端的壓力是低壓活塞下端的壓力的K倍。活塞的面積比K即為壓力倍增器的計量參數。一般壓力倍增器的兩個活塞組采用同一材料制造，溫度膨脹系數相同，K值不受溫度影響。而由于兩組活塞所受壓力不同，K值是壓力的函數:K=K0x(1+λp),λ可由試驗得到。法國DH公司生產的超高壓活塞壓力計即采用了壓力倍增器，這種超高壓標準與可控間隙超高壓活塞相比，測量起始壓力低，結構小巧輕便，可以方便的移動。
5.3壓力差分器 壓力差分器的設計是為了靜壓下小差壓的測量，靜壓可為任何負壓、正壓，z*高可達40MPa。結構如[圖7]:它包括三組同軸的活塞，上、下活塞面積相等，中間活塞的面積是上、下活塞的數倍(設為K)。活塞之間有兩個腔體，腔內被導入靜壓后由閥門分離，上方腔體加以小壓力△p，則由此增加的向下的附加力為(S-s) xAp，要使壓力差分器活塞平衡，則必須在下端活塞底部增加壓力卻，△p平面，使SX△P平面=(S-s)x△p，則 圖7 △p平面和靜壓可由其它活塞測量，從而可得到差壓，差壓量程由面積比確定，且為壓力差分器w*的參數Ka, Kd不受溫度和壓力的影響。這種差壓測量方法，所測差壓可以很小，且與靜壓無關，操作非常方便，這是雙活塞活塞壓力計所做不到的。DH公司的1500即是典型的壓力差分器，Kd為100。
參考文獻 1.The preure balance-Theort and Parctice.L,1982 2. A Oolwa，"Novel Non-rotational Piston Gauge with Small Differential Preure".Merrologia.Volume 30,No.6.p.607-610，1994. 3.Preure Metrology,DH,2002
