[發明專利]一種聲速實時標定的液體壓力計及壓力測量方法

有效

• 申請號: 201210208915.2
• 申請日: 2012-06-19
• 公開（公告）號: CN103512700A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 李燕華;楊遠超;王金庫
• 申請（專利權）人: 中國計量科學研究院
• 主分類號: G01L11/06
• 分類號: G01L11/06
• 代理公司: 北京思創畢升專利事務所 11218
• 代理人: 劉明華

技術領域

本發明涉及一種液體壓力計，尤其涉及一種帶有聲速實時標定功能的液體壓力計，本發明涉及的一種聲速實時標定的液體壓力計的實際名稱為（0-10）kPa微壓液體壓力基準。

背景技術

由于高準確度的液體壓力計可以直接溯源至基本量而被各國家計量機構廣泛作為氣壓段以下的國家壓力基準。在我國，在10kPa以下的微小壓力段，一直以來都沒有建立相應的基標準裝置。（0-10）kPa微壓液體壓力基準的建立將完善我國的壓力基標準體系，填補我國此量程段壓力基標準的空白，解決此量程段全國壓力標準的溯源難題。

針對我國現有的壓力基標準的建立情況，在10kPa的絕壓測量上一直都是空白，為了填補10kPa以下我國壓力基準的空白，完善我國的基標準體系，滿足日益增加的壓力溯源及傳遞的要求以及提升我國CMC能力，我們提出了本申請，旨在通過建立一套(0～10)kPa微壓段的液體壓力測量系統和方法，同時實現表壓、絕壓和差壓的測量，填補我國微壓壓力基準的空白，進一步完善我國現有的壓力基標準體系，更好的為國民經濟服務。

（0-10）kPa微壓液體壓力基準基于流體靜力平衡原理和流體靜力平衡方程，即p＝ρgh,通過精確測量液體密度ρ、當地重力加速度g和液柱高度差h而得到被測壓力值。其中當地的重力加速度由我院力學處重力加速度室在2011年10月測得，其值為9.801260m/s²，其測量不確定度為0.1ppm。液體密度由我院密度室測得，其測量不確定度為5.8ppm，液體的高度差通過測量穿過液柱的超聲波從發射到接收的時間，采用超聲干涉的方法，利用超外差接器、正交相敏探測器和門控積分器精確測量由于液柱高度的變化導致的相位的變化，其聲時的測量不確定度為0.3ns，相應的高度測量不確定度約為0.6um。微壓液體壓力基準的不確定度為0.003%。

現有技術中，中國專利CN2247804Y提供了一種超聲波數字化微壓差計，其特點如下：

1）采用蒸餾水為工作介質。

由于水的室溫飽和蒸汽壓很高(約為2000Pa)，只適合表壓的測量，不適合絕壓的測量。

2）采用標準管來標定聲速。

現有技術通過預先測量的標準管的長度作為實際超聲波的渡越距離。實際上，超聲波的渡越距離與標準管的長度相差很大，主要是由于：超聲晶片是通過粘合劑粘帖在固定板上的，因此超聲晶片發射的超聲波也要穿越一定厚度的粘合劑，而粘合劑的厚度很難測量；另外超聲傳感器須通過氟橡膠O型圈或聚四氟墊片與標準管密封連接，而壓緊時這種形式的密封墊片都會有形變，因此導致實際上超聲波標準管的長度根本無法精確測量（測量誤差大于1mm），所以嚴格來講，標準管的長度雖然能夠精確測量，但它的長度并不是超聲波穿越此標準管的真實距離。因此用這種方式標定的聲速具有較大的測量誤差。

3）未采用溫度穩定措施。

由于液體中的聲速對溫度非常敏感，每0.1℃溫度變化會帶來大約0.03%的聲速的變化，因此如果沒有均勻和穩定的溫場，液柱的高度測量會有很大誤差。

發明內容

為了解決現有技術中的液體壓力計無法測量絕壓和無法作為基標準精確測量壓力的問題，本發明提供了一種能實現聲速實時標定的液體壓力計。

（0-10）kPa微壓液體壓力基準可以實現微小表壓、差壓和絕壓的測量。主要包括U型管容器系統、超聲測量系統、溫度測量系統、聲速測量系統、氣控系統、真空箱體及其吊裝機構以及數據采集處理系統?；鶞什捎肈i-2-ethlhexyl?sebacate(DEHS)為液體工作介質，為了解決液體介質對金屬容器壁的攀附現象，我們采用了一種疏油特氟龍涂層，并在聲速測量系統中，設計制作了專門的浮子機構，首次實現聲速的實時測量，以便排除溫度、壓力對聲速的影響。U型管容器系統置于真空箱體之內，真空箱內的壓力小于10Pa，以避免外界空氣向系統的滲漏并保持真空箱內液體壓力計溫度的穩定。6只標準鉑電阻溫度計布于液體壓力計的不同部位，整套裝置通過計算機、3499開關控制器和測試軟件實現數據的自動采集與處理。

本發明所采用的技術原理和方案

(0～10)kPa的微壓液體壓力基準基于U型液體壓力計的工作原理，即施加于U形管一端的被測壓力p與由此而引起的液柱高度差h而產生的重力相平衡，即：

p=r?gh

式中r為液體介質的密度，g為當地的重力加速度。

在上式的3個決定壓力大小的主要影響量中，重力加速度和密度都可以用相應方法準確測得，而如何精確地測量液柱高度差是決定液體壓力計性能指標的最關鍵因素。