1500MPa可控间隙活塞式压力计研究

　　1　概述

　　现代工业中广泛地应用了高压和超高压技术,诸如聚合物生产、耐热的粉末材料的成形、大型复杂轮廓零件的压锻、人造金刚石和其它超硬材料的合成等等,因而超高压力的计量也有着迫切的需要。

　　早在1953年美国Johnson和Newhall就制成了压力达到1 400 MPa的可控间隙活塞压力计[1],1967年美国国家标准局Johnson和Heydmann又研制成功了压力高达2 600 MPa的可控间隙活塞压力计[2],1974年前苏联的Еремеев也制成了压力为2 600 MPa的可控间隙活塞压力计[3],日本国家计量研究实验室的Ken Nishibata等人于1980年研制成功了名义压力为2 000 MPa的可控间隙活塞压力计[4]。我国的超高压力计量技术在此期间也有了长足的进步,1981年上海市计量技术研究所王廷锷等人研制成功了2 500 MPa可控间隙活塞压力计[5],并在1986年被批准为国家基准。随着对超高压力计量的准确度提出的更高的要求,考虑到压力接近2 500 MPa时技术上的困难和计量上对压力的实际需要,各国均在最高压力为1 500MPa左右制成了准确度更高的活塞压力计。前苏联研制成了(250~1 500)MPa专用压力基准[6],美国Harwood公司在生产1 400 MPa活塞压力计的同时,将公司内的1 400 MPa标准活塞压力计准确度提高到了0·02级。上述各国的压力计性能比较可参阅表1,更详细的情况可参阅Molinar的文章[7]。

　　我国于上世纪八十年代末期进口了2台Harwood-1400活塞压力计、4台英国和法国的超高压活塞压力计,其准确度均在±0·05%以上,低于我国国家基准的准确度,给量值传递工作带来困难,为此原上海市计量技术研究所对国家基准进行了改造[8],使其总体性能和准确度有较大提高,但仍不能满足1 500 MPa以下量值传递的要求。

　　本文报告的工作为新研制一台不确定度为0·02%的1 500 MPa活塞压力计。文中叙述了该活塞压力计的组成和特性研究,以及3年期稳定性考核结果和不确定度分析。

　　2　原理

　　在简单的自由活塞压力计中,当造压系统产生的压力与活塞上承受的砝码重量达到平衡时,此时的压力即可表示为:

式中,m为砝码的质量;g为当地重力加速度;Ae为活塞的有效面积。

　　当压力增高时,活塞产生的变形变得不可忽略,套筒的变形使得内径增大,活塞与套筒之间的间隙增大,因而活塞的下降速度增加,能维持压力平衡的时间减少,甚至不能建立起压力平衡。为了减少套筒的变形,Bridgman曾提出一种返压式活塞压力计使套筒的内径不致于随着压力增高而增大[9],而用来压缩套筒的压力是取自推动活塞的压力,这样就不便于控制间隙。可以控制间隙的活塞压力计最早是由Johnson和Newhall制成的,他们在套筒外面再增加一路可调节的外套压力,从而达到了间隙可以控制的目的。这种结构的压力计其最高压力可达到2 600 MPa,以后各国研制的超高压力计其工作原理均属可控间隙型。