基于補償式微壓計的微壓測量系統(tǒng)的研究*

卓　華　李海兵

(新疆計量院熱工所，烏魯木齊 830011)

0　引言

補償式微壓計主要用于非腐蝕性氣體微小壓力量值的傳遞、校準(zhǔn)和測試，它可測量微小氣體的正壓、負(fù)壓和差壓。補償式微壓計基于U型壓力計的測壓原理，在壓力作用下形成液柱高度差，通過容器的位移變化使液面重新達(dá)到液位平衡位置。被測壓力p可根據(jù)下式得到：

(1)

式中：h為儀器示值讀數(shù)，mm；ρ為檢測溫度下液體介質(zhì)的密度,kg/m3；ρ′為檢測環(huán)境下空氣密度,kg/m3；g為檢測地點重力加速度,m/s2。

1　補償式微壓計

圖1為補償式微壓計的結(jié)構(gòu)示意圖。補償式微壓計一般包括以下幾個部分：微調(diào)部分、水準(zhǔn)觀測部分、反射鏡部分及外殼部分。

圖1　補償式微壓計結(jié)構(gòu)圖

微調(diào)部分包括長螺桿104、固定在長螺桿104上的旋轉(zhuǎn)標(biāo)尺101、以及由長螺桿104帶動作上升或下降運動的大容器106。大容器106設(shè)有負(fù)壓接咀105，在負(fù)壓接咀105上裝有示度準(zhǔn)塊(圖中未示出)，示度準(zhǔn)塊在垂直標(biāo)尺103及度板114中間移動，從而指示出大容器106的位移高度。

水準(zhǔn)觀測部分，包括觀測筒115，在觀測筒115內(nèi)裝有讀數(shù)尖頭112，用于觀測由動壓管110受壓力后觀測筒115內(nèi)液面的變化。

反射鏡部分，包括反射鏡(圖中未示出)，反射鏡面反射觀測筒115內(nèi)的讀數(shù)尖頭112的頭尖與液面的圖像，讀數(shù)尖頭112的頭尖與其倒影的影尖相接表示補償式微壓計讀數(shù)調(diào)整到其“零點”液位。

外殼部分，包括用來支持長螺桿104的殼體102，殼體102上裝有水準(zhǔn)泡108及調(diào)節(jié)螺釘113，用來調(diào)節(jié)微壓計的長螺桿104及動壓管110的垂直。

其中，大容器106與觀測筒115用連接膠管107相連，當(dāng)大容器106向上移動后，大容器106與觀測筒115之間的液面產(chǎn)生差值，在外加壓力源向觀測筒115內(nèi)加壓后，液面重新達(dá)到平衡。補償式微壓計具有較高的準(zhǔn)確度以及較好的長期穩(wěn)定性，非常適合于用在微壓段壓力量值的傳遞基標(biāo)準(zhǔn)。

2　基于補償式微壓計的壓力測量系統(tǒng)的研究

2.1　傳統(tǒng)的補償式微壓計

現(xiàn)有的補償式微壓計在確定“零點”液位時，用肉眼觀測觀測筒115內(nèi)讀數(shù)尖頭112的頭尖與其液面上虛像的影尖“相接”，人為誤差較大，很難確保其準(zhǔn)確性。此外，由前述式(1)可知，被測壓力p是根據(jù)空氣密度ρ′以及液體介質(zhì)的密度ρ計算得出，由于介質(zhì)密度受溫度影響很大，補償式微壓計對溫度變化特別敏感。同時大氣壓以及濕度變化對空氣密度ρ′也有一定的影響。如果在測試時不考慮溫度、氣壓、濕度的影響，測試結(jié)果誤差較大。

2.2　基于補償式微壓計的壓力測量系統(tǒng)的構(gòu)成

為了實現(xiàn)上述目的，本文提供了一種基于補償式微壓計的壓力測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)包括補償式微壓計、圖像采集裝置、圖像處理裝置和顯示裝置。

如圖3所示，圖像采集裝置是工業(yè)攝像機或數(shù)碼攝像頭。所述壓力圖像采集裝置可以設(shè)置在補償式微壓計的反射鏡處，采集來自反射鏡的反射圖像。圖像采集裝置可以是工業(yè)攝像機，也可以是數(shù)碼攝像頭。圖像處理裝置將該反射圖像進(jìn)行放大處理后，顯示在顯示裝置上。顯示裝置可以為液晶顯示屏或LED顯示屏。工業(yè)攝像機可以實時采集來自反射鏡的讀數(shù)尖頭112與觀測筒115內(nèi)液面的反射圖像，反射圖像經(jīng)放大處理后，顯示在顯示屏上。在需要對補償式微壓計進(jìn)行液位調(diào)零時，在顯示屏上對經(jīng)過放大的反射圖像進(jìn)行肉眼觀測，判斷讀數(shù)尖頭112的頭尖與液面上的虛像的影尖是否相接，從而確定是否處于零點液位。通過該操作，可以使得零點液位僅有毫米量級的誤差，這與現(xiàn)有技術(shù)中全靠人眼辨別相比，準(zhǔn)確性大大提高。

圖3測量系統(tǒng)的主要組成部分

壓力測量系統(tǒng)還包括環(huán)境信息采集裝置，如圖4所示。環(huán)境信息采集裝置包括測量工作環(huán)境溫度的第一溫度傳感器、第二溫度傳感器，測量工作環(huán)境濕度的濕度傳感器以及測量工作環(huán)境大氣壓的氣壓傳感器。第一溫度傳感器可以設(shè)置在觀測筒115處，用于測量觀測筒115內(nèi)液體溫度。第二溫度傳感器可以設(shè)置在大容器106處，用于測量大容器106內(nèi)液體溫度。

圖4　測量系統(tǒng)的環(huán)境采集裝置

壓力測量系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)處理裝置，根據(jù)環(huán)境信息采集裝置的工作環(huán)境信息以及補償式微壓計的測量讀數(shù)計算壓力測量值。數(shù)據(jù)處理裝置可以由計算機來提供，也可以是單片機?？梢栽陲@示裝置上顯示工作環(huán)境信息以及計算的壓力測量值。此外，也還可以包括輸出裝置，用于輸出工作環(huán)境信息以及計算的壓力測量值。

3　基于補償式微壓計的壓力測量方法

下面以圖4所示的實施例為例，詳細(xì)描述本文基于補償式微壓計的壓力測量系統(tǒng)測量壓力的方法。

首先，對補償式微壓計進(jìn)行初始調(diào)零。開啟圖像采集裝置采集讀數(shù)尖頭112與觀測筒115內(nèi)液面的反射圖像，經(jīng)圖像處理裝置放大后在顯示裝置上顯示出來。顯示裝置上顯示的圖像包含讀數(shù)尖頭112的頭尖與其在液面上形成的虛像的影尖，通過觀測頭尖與影尖之間的距離，判斷讀數(shù)尖頭112的頭尖與影尖是否相接。若兩者沒有相接，需要增加或減少水量，然后調(diào)撥旋轉(zhuǎn)標(biāo)尺101和調(diào)節(jié)螺母111。當(dāng)從顯示裝置上觀察到讀數(shù)尖頭112的頭尖與其倒影相切時，此時觀測筒115內(nèi)的液面即為零點液位。檢定工作開始時，將動壓管110通過外接壓力源與被測壓力相接，在外接壓力源提供的壓力作用下，觀測筒115內(nèi)液面將上升或下降。通過調(diào)節(jié)長螺桿104帶動大容器106向下或向上移動，進(jìn)而引起觀測筒115內(nèi)液面下降或上升。當(dāng)壓力平衡時觀測筒115內(nèi)液面大致接近零點液位，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)標(biāo)尺101和調(diào)節(jié)螺母111，使觀測筒115內(nèi)液面重新回到零點液位，讀出液面高度變化的示值讀數(shù)h。根據(jù)第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、濕度傳感器以及氣壓傳感器分別采集的當(dāng)前溫度值t1、t2、濕度值φ以及氣壓值p，確定液體密度ρ以及空氣密度ρ′。其中，液體密度ρ可根據(jù)不同介質(zhì)在不同溫度下的常數(shù)表查找得出，溫度可取t1和t2的平均值?？諝饷芏圈选淇捎孟率接嬎悖?/p>

(2)

其中t=(t1+t2)/2。將當(dāng)前溫度下的液體密度ρ以及根據(jù)式(2)得到的空氣密度ρ′代入式(1)，即可得到較為準(zhǔn)確的壓力測量結(jié)果。

4　小結(jié)

1)通過增設(shè)圖像采集裝置以及顯示裝置觀測零點液位，能夠在顯示裝置上方便地觀看水準(zhǔn)頭與觀測筒內(nèi)液面的反射圖像，相比于用肉眼直接觀測，較更容易較準(zhǔn)確地確定零點液位。

2)通過增設(shè)圖像處理裝置，將反射圖像進(jìn)行放大，使得在確定零點液位時，水準(zhǔn)頭的頭尖與液面上的虛像的影尖之間的距離僅有毫米量級的誤差，相比于現(xiàn)有的靠人眼識別，極大地減少了人為引起的誤差，能夠有效提高零點的精度，有利于精確測量。

3)通過增加環(huán)境信息采集裝置，根據(jù)實時采集的溫度、濕度、氣壓信息以及補償式微壓計的測量讀數(shù)計算壓力測量值，有效提高了補償式微壓計的測量精度和準(zhǔn)確度。

[1]JJG 158—2013補償式微壓計

[2]王金庫,李燕華,悅進(jìn).補償式標(biāo)準(zhǔn)微壓計使用中的高度差修正分析.計量技術(shù),2009(1)

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