[发明专利]一种声速实时标定的液体压力计及压力测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种液体压力计，尤其涉及一种带有声速实时标定功能的液体压力计，本发明涉及的一种声速实时标定的液体压力计的实际名称为（0-10）kPa微压液体压力基准。

背景技术

由于高准确度的液体压力计可以直接溯源至基本量而被各国家计量机构广泛作为气压段以下的国家压力基准。在我国，在10kPa以下的微小压力段，一直以来都没有建立相应的基标准装置。（0-10）kPa微压液体压力基准的建立将完善我国的压力基标准体系，填补我国此量程段压力基标准的空白，解决此量程段全国压力标准的溯源难题。

针对我国现有的压力基标准的建立情况，在10kPa的绝压测量上一直都是空白，为了填补10kPa以下我国压力基准的空白，完善我国的基标准体系，满足日益增加的压力溯源及传递的要求以及提升我国CMC能力，我们提出了本申请，旨在通过建立一套(0～10)kPa微压段的液体压力测量系统和方法，同时实现表压、绝压和差压的测量，填补我国微压压力基准的空白，进一步完善我国现有的压力基标准体系，更好的为国民经济服务。

（0-10）kPa微压液体压力基准基于流体静力平衡原理和流体静力平衡方程，即p＝ρgh,通过精确测量液体密度ρ、当地重力加速度g和液柱高度差h而得到被测压力值。其中当地的重力加速度由我院力学处重力加速度室在2011年10月测得，其值为9.801260m/s²，其测量不确定度为0.1ppm。液体密度由我院密度室测得，其测量不确定度为5.8ppm，液体的高度差通过测量穿过液柱的超声波从发射到接收的时间，采用超声干涉的方法，利用超外差接器、正交相敏探测器和门控积分器精确测量由于液柱高度的变化导致的相位的变化，其声时的测量不确定度为0.3ns，相应的高度测量不确定度约为0.6um。微压液体压力基准的不确定度为0.003%。

现有技术中，中国专利CN2247804Y提供了一种超声波数字化微压差计，其特点如下：

1）采用蒸馏水为工作介质。

由于水的室温饱和蒸汽压很高(约为2000Pa)，只适合表压的测量，不适合绝压的测量。

2）采用标准管来标定声速。

现有技术通过预先测量的标准管的长度作为实际超声波的渡越距离。实际上，超声波的渡越距离与标准管的长度相差很大，主要是由于：超声晶片是通过粘合剂粘帖在固定板上的，因此超声晶片发射的超声波也要穿越一定厚度的粘合剂，而粘合剂的厚度很难测量；另外超声传感器须通过氟橡胶O型圈或聚四氟垫片与标准管密封连接，而压紧时这种形式的密封垫片都会有形变，因此导致实际上超声波标准管的长度根本无法精确测量（测量误差大于1mm），所以严格来讲，标准管的长度虽然能够精确测量，但它的长度并不是超声波穿越此标准管的真实距离。因此用这种方式标定的声速具有较大的测量误差。

3）未采用温度稳定措施。

由于液体中的声速对温度非常敏感，每0.1℃温度变化会带来大约0.03%的声速的变化，因此如果没有均匀和稳定的温场，液柱的高度测量会有很大误差。

发明内容

为了解决现有技术中的液体压力计无法测量绝压和无法作为基标准精确测量压力的问题，本发明提供了一种能实现声速实时标定的液体压力计。

（0-10）kPa微压液体压力基准可以实现微小表压、差压和绝压的测量。主要包括U型管容器系统、超声测量系统、温度测量系统、声速测量系统、气控系统、真空箱体及其吊装机构以及数据采集处理系统。基准采用Di-2-ethlhexyl sebacate(DEHS)为液体工作介质，为了解决液体介质对金属容器壁的攀附现象，我们采用了一种疏油特氟龙涂层，并在声速测量系统中，设计制作了专门的浮子机构，首次实现声速的实时测量，以便排除温度、压力对声速的影响。U型管容器系统置于真空箱体之内，真空箱内的压力小于10Pa，以避免外界空气向系统的渗漏并保持真空箱内液体压力计温度的稳定。6只标准铂电阻温度计布于液体压力计的不同部位，整套装置通过计算机、3499开关控制器和测试软件实现数据的自动采集与处理。

本发明所采用的技术原理和方案

(0～10)kPa的微压液体压力基准基于U型液体压力计的工作原理，即施加于U形管一端的被测压力p与由此而引起的液柱高度差h而产生的重力相平衡，即：

p=r gh

式中r为液体介质的密度，g为当地的重力加速度。

在上式的3个决定压力大小的主要影响量中，重力加速度和密度都可以用相应方法准确测得，而如何精确地测量液柱高度差是决定液体压力计性能指标的最关键因素。