活塞式壓力計(jì)的基本原理及應(yīng)用
本文對(duì)活塞壓力計(jì)的工作原理、結(jié)構(gòu)類型、誤差因素進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，并結(jié)合具體實(shí)例，對(duì)活塞壓力計(jì)的不確定因素進(jìn)行了定量分析。
壓力（P）不是獨(dú)立的基本物理量，而是質(zhì)量和長度量的導(dǎo)出量。壓力的定義為：
P=F/A（1）
式中，F(xiàn)為力值，A為承受該力值的面積。
根據(jù)以上原理，我們可以采用多種方法通過特定的機(jī)械裝置產(chǎn)生壓力。其中zui常見的方法是液體壓力計(jì)裝置和活塞式壓力計(jì)裝置。
本文將對(duì)活塞式壓力計(jì)裝置進(jìn)行討論。
活塞式壓力計(jì)又稱為靜重式壓力計(jì)，是利用流體靜力平衡原理及帕斯卡定律工作的儀器。
流體靜力平衡是通過作用在活塞系統(tǒng)的力值與傳壓介質(zhì)產(chǎn)生的反作用力相平衡實(shí)現(xiàn)的?；钊到y(tǒng)由活塞和缸體（活塞筒）組成，二者形成*的動(dòng)密封配合?；钊拿娣e（有效面積）是已知的，當(dāng)已知的力值作用在活塞一端時(shí)，活塞另一端的傳壓介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與已知力值大小相等方向相反的力與該力相平衡。由此，可以通過作用力值和活塞的有效面積計(jì)算得到系統(tǒng)內(nèi)傳壓介質(zhì)的壓力。在實(shí)際應(yīng)用中，力值通常由砝碼的質(zhì)量乘以使用地點(diǎn)的重力加速度得到?；钊綁毫τ?jì)的結(jié)構(gòu)類型有很多種。zui基本的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
活塞式壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)類型有很多種。zui基本的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
由此方法得到的壓力的不確定度取決于儀器本身的物理特性（和不確定度）以及許多外部影響因素。所有因素都必須予以深入的分析和考慮。對(duì)不確定度影響因素的重視程度將直接決定測量結(jié)果“誤差”的大小。
來自活塞式壓力計(jì)本身的測量不確定度的影響分量主要有：砝碼、活塞系統(tǒng)的剛度、活塞系統(tǒng)的溫度膨脹系數(shù)、流體的表面張力、垂直度影響、以及磁場對(duì)磁性部件的影響等?！ 碜酝獠恳蛩氐牟淮_定度影響分量主要有：使用地點(diǎn)的重力加速度、砝碼在空氣中受到的浮力、操作環(huán)境的受控程度和穩(wěn)定程度。應(yīng)該注意到：我們以上討論的不確定度分量只是局限在活塞壓力計(jì)本身的測量不確定度進(jìn)行分析得出的。如果我們要給出被校驗(yàn)儀器的測量不確定度報(bào)告，還必須對(duì)其他因素加以考慮。這些因素包括：與流體介質(zhì)種類和參考?jí)毫Γɑ驓鈮海┫嚓P(guān)的位置差、系統(tǒng)泄漏、溫度梯度等。
活塞壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)基本組成
活塞式壓力計(jì)的基本組成原理如圖2所示。
從圖2可以看出，活塞壓力計(jì)由活塞、活塞筒、基座、砝碼和壓力接口組成?；鶎?duì)活塞系統(tǒng)起支撐作用并使活塞底部工作面與傳壓介質(zhì)相接觸，基座底部的螺栓用于調(diào)節(jié)活塞系統(tǒng)與地面的垂直度。
活塞/活塞筒（活塞系統(tǒng)組件）的類型
對(duì)活塞壓力計(jì)測量結(jié)果影響zui大的因素（尤其在高壓力時(shí)）是壓力對(duì)活塞有效面積的影響。這就是我們通常所說的“壓力形變系數(shù)”?；谝陨险J(rèn)識(shí)，我們通過多種方法對(duì)活塞系統(tǒng)組件加以完善，力圖消除或減小“壓力形變系數(shù)”對(duì)測量結(jié)果的影響。
zui典型的活塞系統(tǒng)組件有三種結(jié)構(gòu)形式，分別叫做“基本型”、“復(fù)入型”和“可控間隙型”。這三種結(jié)構(gòu)形式的活塞系統(tǒng)組件由于其易實(shí)現(xiàn)性和商業(yè)上的可行性，至今仍被廣泛采用。
基本型：基本型是所有活塞系統(tǒng)類型中zui簡單的一種結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。基本型結(jié)構(gòu)中，活塞筒的外表面始終暴露在大氣中?；钊驳闹睆綍?huì)隨著壓力的增加而增大，從而導(dǎo)致活塞有效面積的增大，為“正”壓力變形系數(shù)。
復(fù)入型：如圖3所示。在這種結(jié)構(gòu)類型中，將活塞系統(tǒng)內(nèi)部壓力施加到活塞筒外表面的一部分。這樣以來，當(dāng)系統(tǒng)壓力增加時(shí)，活塞的有效面積通常會(huì)減小，為“負(fù)”壓力變形系數(shù)。
可控間隙型:在這種結(jié)構(gòu)類型中，活塞和活塞筒之間的間隙由作用在活塞筒外部（參與工作部分）的獨(dú)立壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。目的是消除壓力變形系數(shù)，使得活塞的有效面積不隨系統(tǒng)試驗(yàn)壓力的改變而變化。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。
壓力與力值的關(guān)系基本因素
影響壓力與力值關(guān)系的基本因素有：浮力、重力加速度、流體表面張力系數(shù)，以及溫度系數(shù)引起的線性膨脹、壓力系數(shù)引起的彈性變形對(duì)活塞有效面積的影響等。
由壓力的基本定義：
Pr=F/Ac（2）
式中：
Pr---活塞工作端面壓力值
F---作用在活塞上的力值（砝碼重力）
Ae---活塞系統(tǒng)有效面積
又由,
F=Ma·g1（3）
得到：
Pr=Ma·g1/Ac（4）
式中：
Ma=砝碼質(zhì)量（經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)檢定給出的表觀值,包括活塞及連接件質(zhì)量）。
gl=使用地點(diǎn)重力加速度。
力值修正
浮力影響
根據(jù)阿基米德定律:物體受到的浮力等于物體排開的流體的重量。物體在空氣中的重量要小于物體在真空環(huán)境中的重量，減少的重量等于物體排開的空氣的重量，近似等于空氣的密度乘以物體的體積。對(duì)于形狀不規(guī)則的物體，體積很難通過幾何測量的方法計(jì)算得到，即便可以通過計(jì)算得到，還需要知道該物體材料的密度。如果物體的質(zhì)量是以表觀值表示而不是以真實(shí)質(zhì)量表示的，則在進(jìn)行浮力修正時(shí)，只要知道稱量該物體質(zhì)量時(shí)所使用的標(biāo)準(zhǔn)砝碼的密度就可以了。這種方法已被普遍接受，并使得浮力影響修正得以簡化。
在對(duì)表觀值表示質(zhì)量的砝碼進(jìn)行浮力修正時(shí)，可以不必知道砝碼的密度，而直接通過稱量該物體質(zhì)量時(shí)所使用的標(biāo)準(zhǔn)砝碼的密度進(jìn)行修正（可推導(dǎo)證明）。盡管這樣會(huì)引入很小的誤差，但對(duì)于活塞壓力計(jì)的浮力修正很實(shí)用，且不會(huì)造成明顯的誤差。
浮力修正公式為：
1-ρa/ρs（5）
式中：
ρa=砝碼周圍空氣的密度
ρs=上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼的密度
