關(guān)于使用HART手操器進(jìn)行壓力測量時(shí)需注意的幾個(gè)問(wèn)題

摘 要 ：介紹了HART手操器的原理、結構及特點(diǎn)，討論了使用HART手操器進(jìn)行壓力測量時(shí)，專(zhuān)用砝碼質(zhì)量、使用地點(diǎn)重力加速度、高度差、壓力變形等因素對壓力量值的影響，從而保證測量的準確可靠。

0 引言

HART手操器是以帕斯卡定律和流體靜力學(xué)力平衡原理為基礎進(jìn)行測量壓力的計量器具。其工作原理的計算公式為 p = F/A，即由已知活塞有效面積 A、已知專(zhuān)用砝碼質(zhì)量 F，通過(guò)計算求得壓力量值 p。HART手操器主要由活塞系統、專(zhuān)用砝碼和校驗器組成[1] ，其中活塞系統包含活塞和活塞筒。其原理結構圖如圖 1 所示。

由于活塞的有效面積和專(zhuān)用砝碼質(zhì)量可以精que測量，所以HART手操器的準確度較高，且具有良好的穩定性，在HART手操器量技術(shù)中，通常作為HART手操器量標準器使用。

1 HART手操器在壓力量值傳遞中需注意的幾個(gè)問(wèn)題

HART手操器在使用前都需要送計量技術(shù)機構進(jìn)行溯源，計量技術(shù)機構依據檢定規程的要求進(jìn)行各個(gè)項目的檢定或校準，檢定合格出具檢定證書(shū)，校準證書(shū)一般給出活塞的有效面積值、砝碼的實(shí)測值及其測量不確定度。工作中遇到很多企業(yè)的技術(shù)人員，他們都能按照計量管理的要求將設備按時(shí)送檢，但由于缺乏對HART手操器的了解認為拿到證書(shū)就能使用了，導致在使用HART手操器進(jìn)行壓力量值傳遞時(shí)引入了多種系統誤差，使得產(chǎn)品的計量性能出現偏差，從而在產(chǎn)品的型式評價(jià)、質(zhì)量抽查、委托計量檢定中出現問(wèn)題，造成經(jīng)濟損失。HART手操器在測量壓力時(shí)的基本公式為：

從式（1）可以看出，實(shí)際使用活塞HART手操器測量壓力時(shí)要考慮眾多影響因素，下面分別對幾個(gè)主要問(wèn)題進(jìn)行探討，在使用時(shí)需加以重視。

1.1 專(zhuān)用砝碼質(zhì)量對壓力量值的影響

公式（1）中的專(zhuān)用砝碼、活塞及連接件總質(zhì)量 m 是指真空中質(zhì)量，但在質(zhì)量室對砝碼檢定時(shí)，依據相應的檢定規程，給出的數據為砝碼的折算質(zhì)量。真空中質(zhì)量與折算質(zhì)量的換算關(guān)系見(jiàn)公式（2）：

式（2）中，m 為砝碼的真空中質(zhì)量，m c 為砝碼的折算質(zhì)量。目前HART475手操器的專(zhuān)用砝碼材質(zhì)一般為不銹鋼或鋁，由于折算質(zhì)量和真空中質(zhì)量的差異對壓力量值的誤差分別為 0.0004% 和 0.0294% [2] 。所以需要根據使用情況，將公式（2）代入公式（1）中對其進(jìn)行修正和計算。1.2 使用地點(diǎn)重力加速度對壓力量值的影響計量技術(shù)機構在出具HART手操器檢定證書(shū)時(shí)都會(huì )依據 JJG59-2007 附錄 D，給出專(zhuān)用砝碼使用地點(diǎn)的重力加速度值，這也是專(zhuān)用砝碼理論計算值的依據。從附錄 D 可以看出，各地的重力加速度都不相同，所以同一組專(zhuān)用砝碼在不同地區使用時(shí)所得到的壓力量值也是不相同的。例如檢定證書(shū)中注明重力加速度值為 9.7946m/s 2 （上海），如果將這臺設備移至長(cháng)春使用，由于長(cháng)春的重力加速度值9.8048m/s 2 ，從而引入的誤差為 0.1%，超過(guò)了HART手操器的#大允許誤差。對于同一地區，重力加速度的值也有不同。例如上海某實(shí)驗室經(jīng)中國計量院現場(chǎng)實(shí)測后，附錄D 中的參考值與實(shí)測值的誤差約為 0.004%，這對于 0.01 級及以上的HART手操器來(lái)說(shuō)，將會(huì )引入相當大的誤差。所以，建議技術(shù)人員根據HART手操器準確度等級及使用情況考慮是否需要聯(lián)系有資質(zhì)的技術(shù)機構對重力加速度進(jìn)行現場(chǎng)實(shí)測。

1.3 與被測設備的高度差對壓力量值的影響

HART手操器在使用中，還需要考慮與被測設備的高度差對壓力量值的影響。不同結構的活塞系統其參考不同，例如實(shí)心活塞的參考位置位于活塞的下端面（活塞處于工作位置后），一般生產(chǎn)廠(chǎng)家會(huì )在安裝活塞系統的外筒上標示出參考位置。對于被測設備：電測試HART手操器的參考位置一般為感壓元件的位置或廠(chǎng)家標明的位置；指針式壓力表的參考位置一般為表盤(pán)指針軸處，如圖 2 所示：ΔH即為兩者參考位置的高度差�？梢允褂酶叨瓤ǔ邅�(lái)差進(jìn)行測量。

由液位高度差引起的壓力值可按照公式（3）計算：

式（3）中， Δp 為液位高度差引起的壓力值，Pa ；ρ 為工作介質(zhì)密度，kg/m 3 ；g 為使用地點(diǎn)重力加速度，m/s 2 ；ΔH 為壓力表指針軸平面與HART手操器活塞下端面之間的高度差，m。以變壓器油為工作介質(zhì)為例，10mm 液體高度差造成的壓力差值約為 80Pa。則對于 1MPa 的壓力值，若忽略高度差，引入的誤差約為 0.008%。當工作介質(zhì)為氣體時(shí)，由于氣體的密度遠小于液體的密度，在測量中經(jīng)常會(huì )忽略氣體高度差的影響。但是由于氣體的可壓縮性，即氣體的密度與壓力成正比，計算時(shí)可以使用氣體狀態(tài)方程得出不同壓力下氣體的密度值，從而判斷是否應對測量結果進(jìn)行高度修正。

1.4 在高壓測量時(shí)，壓力變形對壓力量值的影響

在高壓測量時(shí)，壓力變形對活塞有效面積的影響是顯著(zhù)的。JJG59-2007 規程中規定，測量上限大于 25MPa（包括 25MPa）的HART手操器，并用于測量壓力時(shí)，需要對壓力變形進(jìn)行修正。

對于 kg 砝碼，可以將活塞系統的變形系數代入公式（1）求得實(shí)際壓力值。例如材質(zhì)為碳化鎢、活塞有效面積名義值為 0.05cm 2 的活塞系統，其變形系數的計算值約為7×10 -7 MPa -1 ，在 25MPa 壓力測量點(diǎn)，若忽略壓力變形的影響，引入的誤差約為 0.002%。對于 MPa 砝碼，需要根據 JJG59-2007 中公式（9）算按照順序加載的每一塊專(zhuān)用砝碼質(zhì)量，當用于壓力測量時(shí)，配套的專(zhuān)用砝碼必須按照順序放置使用。

1.5 其他需注意的影響因素

HART手操器在使用前還需對活塞系統進(jìn)行水平調整，否則易造成活塞桿在活塞筒內不能正常旋轉，增加活塞桿與活塞筒的摩擦，從而影響測量結果甚至損壞活塞系統。JJG59-2007 規程中表 13 規定了不同準確度等級的HART手操器的環(huán)境溫度條件，使用時(shí)環(huán)境溫度若超過(guò)了溫度允許范圍，則需通過(guò)測溫系統對活塞有效面積進(jìn)行溫度修正。

2 結束語(yǔ)

目前，對于HART手操器壓力量值影響量的測量還存在一些問(wèn)題。一是對于活塞系統溫度的準確測量，目前活塞系統的溫度值主要通過(guò)測量活塞筒外壁的溫度來(lái)估算，兩者還存在一定的差距。二是對于變形系數的計算，目前主要根據 JJG59-2007 規程附錄 A 中壓力變形系數的公式計算得到，使用該公式需要已知活塞及活塞筒的彈性模量和泊松比，對此檢定規程中也用列表的形式給出了常用活塞系統材質(zhì)的彈性模量和泊松比的經(jīng)驗數據。但是材料中如合金顆粒的粗細、微量元素的差異和熱處理不同都會(huì )影響其力學(xué)特性，導致理論計算的變形系數與實(shí)際值存在差異[4] 。