傾斜式微壓計(jì)誤差來源分析

李彥平，馬亞運(yùn)

（青海省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，青海 西寧 810003）

傾斜式微壓計(jì)又叫斜管壓力計(jì)，是一種可見液體彎面的多測(cè)量范圍液體壓力計(jì)，可作為測(cè)量2000Pa 以下不溶于乙醇的氣體的正壓、負(fù)壓或壓差的測(cè)量?jī)x器使用，與皮托管配套使用可測(cè)量氣體流速。傾斜式微壓計(jì)因其測(cè)量精度高、機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易受環(huán)境條件影響的特點(diǎn)，是風(fēng)速類和氣壓類儀器的檢定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一。但使用過程繁瑣，測(cè)量誤差大一直是該設(shè)備存在的問題之一。通過解析傾斜式微壓計(jì)的工作原理，分析了使微壓計(jì)產(chǎn)生測(cè)量誤差的幾個(gè)主要因素，并利用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)各要素的影響做了具體討論。

1 傾斜式微壓計(jì)工作原理

1.1 傾斜式微壓計(jì)結(jié)構(gòu)

傾斜式微壓計(jì)主要由測(cè)量管（1）、底座（2）、水準(zhǔn)器（3）、寬廣容器（4）、零位調(diào)節(jié)器（5）、多向閥（6）、加液蓋（7）、弧形支架（8）等組成。如圖1 所示。

圖1 斜管微壓計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 傾斜式微壓計(jì)工作原理

傾斜式微壓計(jì)是基于流體靜力學(xué)原理，利用液柱的高度差測(cè)量壓力的一種計(jì)量?jī)x器，特點(diǎn)是測(cè)量管與水平面成一定角度，能將較小的液柱高度差按一定比例放大，提高測(cè)量的分辨力[1]，其工作原理可用公式表示:

式中p 是傾斜式微壓計(jì)的測(cè)量壓力值，ρ0是傾斜式微壓計(jì)銘牌上標(biāo)出的工作液體密度，g 是當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，h 是液面變化的垂直高度。液面高度的變化關(guān)系如圖2 所示。

圖2 傾斜式微壓計(jì)工作原理

h1是在寬廣容器內(nèi)的液面的下降高，h2是垂直方向的上升高度度，L 是該傾斜常數(shù)上斜管微壓計(jì)的液柱高度值，α 是斜管傾角，則對(duì)應(yīng)的幾何關(guān)系是：

用K 表示傾斜式微壓計(jì)的傾斜常數(shù)：

因此測(cè)量壓力值可以表示為：

2 誤差來源分析

（1）水平泡手動(dòng)調(diào)整平衡；（2）標(biāo)稱工作溶液的配置；（3）人工讀數(shù)；（4）酒精蒸發(fā)；（5）機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的誤差等。

2.1 水平泡手動(dòng)調(diào)整平衡

傾斜式微壓計(jì)調(diào)平過程：測(cè)量前需將儀器放置在平穩(wěn)且無震動(dòng)的平臺(tái)上，調(diào)整底板左、右兩個(gè)水準(zhǔn)調(diào)節(jié)機(jī)腳，通過觀察水平泡，使儀器處于水平位置。若水平泡指示失準(zhǔn)，或水平泡未調(diào)平時(shí)，寬廣容器內(nèi)的溶液與水平線產(chǎn)生誤差傾角β，則

通常在測(cè)量過程中K 值是固定的，例如，使用0.81g/cm3的酒精溶液作為標(biāo)稱工作液體時(shí)，K 取0.0439，那么誤差傾角β 帶來的誤差值將會(huì)反應(yīng)在傾斜管內(nèi)的液面高度上。當(dāng)β 值為正值，則L 值會(huì)偏大，導(dǎo)致測(cè)得的壓力值偏大；若誤差傾角β 值為負(fù)值，則L 值會(huì)偏小，導(dǎo)致測(cè)得的壓力值偏小。

2.2 標(biāo)稱工作溶液的配置

傾斜式微壓計(jì)的標(biāo)稱工作液體是密度為0.81g/cm3的酒精溶液，又稱K 酒溶液，配比指的是工作溶液中酒精和蒸餾水的比例。當(dāng)K 酒溶液配比數(shù)值發(fā)生變化，工作液體的密度就會(huì)發(fā)生變化，傾斜式微壓計(jì)測(cè)出的壓力值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。公式（1）中被測(cè)壓力值與工作液體密度成正比，所以當(dāng)工作液體密度減小，壓力值相較于真實(shí)值偏小，工作液體密度增大時(shí)，所測(cè)壓力值相較于真實(shí)值偏大。實(shí)際使用中，工作溶液密度以購(gòu)買的酒精溶液為準(zhǔn)，當(dāng)酒精密度不能達(dá)到標(biāo)稱工作溶液標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，按公式（7）計(jì)算其測(cè)量的壓力值。

P 是實(shí)際壓力值，ρ 是實(shí)際工作液體密度。

2.3 人工讀數(shù)

傾斜式微壓計(jì)使用過程中，傾斜管內(nèi)的液柱高度值需要人工讀取，斜管的分辨率是1mm，估讀到0.1mm。此時(shí)誤差值產(chǎn)生的主要原因是誤讀和視差。若在讀數(shù)過程中L誤大于實(shí)際液面高度，則算出的壓力值P誤將大于真實(shí)值；若在讀數(shù)過程中L誤小于實(shí)際液面高度，則算出的壓力值P誤將小于真實(shí)值。

2.4 酒精蒸發(fā)

另一種導(dǎo)致工作液體濃度發(fā)生變化的原因是液體的蒸發(fā)。在使用傾斜式微壓計(jì)的過程中，寬廣容器中工作液體的表面積、溫度和通風(fēng)狀況相同的情況下，由于酒精的蒸氣壓（44.5mm 汞柱）大于水的蒸氣壓（17.5mm 汞柱），所以工作液體中酒精比水蒸發(fā)得快，使酒精溶液濃度減小，密度增大，使所測(cè)壓力值相較于真實(shí)值偏大。

2.5 機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差

機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的誤差主要來自傾斜式微壓計(jì)內(nèi)部各通道積累的阻塞物影響工作溶液密度和密封性能降低導(dǎo)致氣壓損失等等。

通道阻塞是由于酒精溶液長(zhǎng)時(shí)間放置于寬廣容器中產(chǎn)生沉淀，多向閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)阻塞，在測(cè)量過程中，工作液體無法順利從寬廣容器流向測(cè)量管，則測(cè)量管內(nèi)液柱高度值相較于準(zhǔn)確值偏小，最終導(dǎo)致測(cè)的壓力值偏小。

傾斜式微壓計(jì)使用的橡皮管老化，與閥門接頭及傾斜管上端接口連接不緊密，導(dǎo)致密封性能降低，產(chǎn)生以下四種情況：

1）無法排凈存留在正壓容器和傾斜管道之間的氣泡，導(dǎo)致傾斜管內(nèi)液面無法達(dá)到零點(diǎn)高度，傾斜管內(nèi)液面高度相較于真實(shí)高度偏小。

2）當(dāng)被測(cè)壓力值高于大氣壓力，閥門“+”壓接頭密封性降低，則測(cè)量時(shí)寬廣容器內(nèi)的液面無法被順利壓入傾斜管內(nèi)，傾斜管內(nèi)液面無法到達(dá)壓力值相應(yīng)高度。

3）當(dāng)被測(cè)壓力值低于大氣壓力，閥門“-”壓接頭及傾斜管上端接口密封性降低，則測(cè)量時(shí)傾斜管內(nèi)液面無法順利被負(fù)壓吸入。

4）當(dāng)測(cè)量壓力差時(shí)，閥門“+”壓接頭、閥門“-”壓接頭及傾斜管上端接口密封性均降低，則溶液液面同樣無法達(dá)到相應(yīng)的高度。

以上四種情況都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值偏小。

3 實(shí)驗(yàn)部分

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的誤差是由內(nèi)部的阻塞物、調(diào)節(jié)裝置老化、密封性能降低等多種因素導(dǎo)致的，很難量化，所以實(shí)驗(yàn)中只討論人工誤差的影響。

3.1 溶液配比誤差實(shí)驗(yàn)

用95%的乙醇和蒸餾水配置三種濃度不同的溶液，分別作為標(biāo)稱工作溶液測(cè)量同一風(fēng)壓值，對(duì)比測(cè)量結(jié)果。具體配置方法見表1。

表1 溶液配比參數(shù)

實(shí)驗(yàn)風(fēng)壓由風(fēng)速發(fā)生裝置提供，該裝置經(jīng)第三方檢測(cè)并出具證書，具備風(fēng)速標(biāo)定能力。給出2～5m/s 的10 個(gè)風(fēng)速點(diǎn)，分別測(cè)量風(fēng)壓產(chǎn)生的液柱變化高度Δh，測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 不同濃度溶液的風(fēng)壓測(cè)量結(jié)果

溶液3 的液體濃度接近標(biāo)稱工作溶液，其測(cè)量結(jié)果理論上更接近真實(shí)值。從圖3 不同濃度溶液的風(fēng)壓測(cè)量結(jié)果曲線圖可以看出，溶液1 和溶液2 的測(cè)量結(jié)果較標(biāo)稱工作溶液的測(cè)量結(jié)果有明顯偏差，當(dāng)風(fēng)壓一定時(shí)，溶液密度和測(cè)量值成正比。

圖3 不同濃度溶液的風(fēng)壓測(cè)量結(jié)果

將溶液3 視為標(biāo)稱工作溶液，表3 是在各風(fēng)壓點(diǎn)上不同濃度酒精溶液和標(biāo)稱工作溶液產(chǎn)生的液柱高度變化量之間的誤差統(tǒng)計(jì)。

隨著風(fēng)速增大，不同濃度溶液的液柱變化高度和標(biāo)稱溶液液柱高度的差值越來越大，即風(fēng)速越大，溶液濃度變化產(chǎn)生的誤差越大。

3.2 酒精蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)

將上述實(shí)驗(yàn)中使用的95%的酒精溶液注入斜管壓力計(jì)中，并保持加液蓋敞開狀態(tài)，在靜置2h 和4h 時(shí)，按3.1 中的方法，測(cè)量10 個(gè)風(fēng)速點(diǎn)的風(fēng)壓產(chǎn)生的液面高度差，得到表4。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，靜置過程中溶液蒸發(fā)使酒精溶液的密度發(fā)生變化，進(jìn)而影響了測(cè)量值，具體的表現(xiàn)是：靜置時(shí)間越長(zhǎng)，酒精溶液密度變大，同一風(fēng)速值產(chǎn)生的液柱高度變化量增大，即測(cè)量風(fēng)壓值較真實(shí)值偏大。

表3 誤差統(tǒng)計(jì)

表3 蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）傾斜式微壓計(jì)的誤差來源于水平泡調(diào)整平衡、標(biāo)稱工作溶液配置、人工讀數(shù)、酒精蒸發(fā)和機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差等。

2）水平泡手動(dòng)調(diào)整液面和水平面誤差傾角β為負(fù)值、人工讀數(shù)液面小于實(shí)際液面高度會(huì)導(dǎo)致測(cè)的壓力值偏?。欢`差傾角β 為正值、工作液體密度增大、人工讀數(shù)液面高于實(shí)際液面高度、工作溶液蒸發(fā)則會(huì)導(dǎo)致測(cè)的壓力值偏大。

3）使用中應(yīng)注意提高水平泡手動(dòng)調(diào)平、K 溶液濃度配比、人工讀數(shù)的精確度；減少容器內(nèi)酒精溶液的蒸發(fā)；測(cè)量前檢查傾斜式微壓計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否阻塞，儀器密封性能是否良好，水平泡指示是否準(zhǔn)確，以減少機(jī)械誤差的影響，得到準(zhǔn)確的測(cè)量值。