一种声速实时标定的液体压力计制造技术

本实用新型专利技术涉及一种声速实时标定的液体压力计。液体压力计可以实现绝压、表压和差压的测量，包括声速测量系统和高度测量系统；二者的外形为高低U型管结构，并连接至同一个待测压力处；声速测量系统中设置有自由悬浮于液面的浮子；浮子内部设置有激光反射部件，浮子的下端面为超声信号的反射面；U形管底部设置有超声晶片。本压力测量方法，是通过对U型高低管中的低管施加压力时，高低管之间产生相应变化的液位差，激光干涉仪和超声干涉仪实时测量浮子的位移以及对应的超声回波时间，进而得到实时的声速；高度测量系统根据该声速和超声干涉仪测得超声波在此压力下在液体介质中的渡越时间，再依据声速测量系统测得的声速而得到液柱高度差，从而得到被测压力。本实用新型专利技术通过改进测量装置的结构，使超声接收信号的信噪比大大提高，大大降低了液体压力计的测量不确定度。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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，本技术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。
技术介绍
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IOkPa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IOkPa的绝压测量上一直都是空白，为了填补IOkPa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(O 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，SPP= pgh,通过精确测量液体密度P、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O. Ippm0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O. 3ns，相应的高度测量不确定度约为O. 6um。微压液体压力基准的不确定度为O. 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I)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O. 1°C温度变化会带来大约O. 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。
技术实现思路
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，本技术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只标准钼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。本技术所采用的技术原理和方案(O 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。(O 10) kPa的微压液体压力系统米用Di-2-ethlhexyl sebacate (DEHS)为其液体工作介质，采用超声超外差的方法来测量超声波在通过液体介质时从发射到接收的渡越时间，同时液体压力基准的声速测量系统通过对此时实时声速的测量从而得到不同压力和温度下的超声声速，再由此时的声时和声速计算出液柱高度差，而最终得到所测的压力。传统的U形液体压力计的U型管的两端处于同一个水平面上，当被测压力作用于U形管的一端时，U形管一端中的液体下降l/2h，U形管另一端中的液体上升l/2h，此时，如果工作液体的密度为r,当地的重力加速度为g,则被测压力p=r gh。也就是说若要测量p=rgh大小的压力，U型管两端单臂(单管)的高度需要达到h的高度。(O 10)kPa的微压液体压力基准的U型容器系统的U形管的两端分别坐落在落差为500mm的两个平台上。在U型管两端压力相等时，U型管内的液体处于同一水平面上，当压力P = P gh作用于处于较低位置的低管时，低管内的液体液位下降l/2h的高度，高管内液体的液位上升l/2h的高度，由于U型管落差的存在，这时要测量p=r gh大小的压力，U型管两端单臂(单管)的高度只要达到l/2h的高度即可。这样设计的目的，可以大大减小U型管单臂的长度，使得单臂内液体的高度减小了一半，解决了超声波在液体介质中特别是油介质中信号衰减较大的难题，使得超声接收信号的信噪比大大提高。本技术中利用超声测量声时的方法最终测量液柱高度。超声声时的测量方法有多种，其中常用的有脉冲回波计数法、脉冲回鸣法、脉冲回波叠加法和超声干涉法。后两者在特定条件下能非常精密地测量介质的绝对声时。本技术中包括的超声声时的测量采用超声干涉技术测量超声信号在液柱中的传播时间，其原理是测量超声回波信号与初始信号的相位差j。初始超声信号可用下式表示y0=A0 cos (2p ft) (2-1)其中Atl是初始信号的幅度，f是信号的频率，其初始相位设为O。在液柱中传播一段距离后的回波信号则为y=Acos (2p ft+j) (2-2)其中A是回波信号的幅度，炉为包含了超声信号在液柱中传播距离信息的相位。相位与信号传播时间T的关系为j=-2p fT(2-3)其中T为传播时间，包括在液柱中传播时间和在电路中的延时。如果超声在电路中的延时是稳定的，那么传播时间的差值即是液柱中声时的差值；也可以采用第二个回波和第一个回波的相位差(或声时差)，这样相应的时间就只是在液柱中的传播时间。具体实现时采用经90°移相器移相后的信号Ytl=Atl sin (2p ft)和移相前的yQ=AQcos (2p ft)为参考信号，参考信号和回波信号经正交相变探测器后，高频信号被滤掉，只剩下含有相变信息j的低频信号U1=Si本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种声速实时标定的液体压力计，其特征在于：所述液体压力计包括高度测量系统，声速测量系统、气控系统（16）、液控系统（17）以及数据采集和处理系统（8）；所述高度测量系统和声速测量系统分别包括一组U形管：高度测量U形管（2）和声速测量U形管（1），两组U形管中均充入液体，且两组U形管内的液体是连通的；所述高度测量系统用于测量超声波在液体中的渡越时间并根据所述声速测量系统测得的声速计算得到液柱的高度；所述声速测量系统通过测量液位高度变化量以及液位高度变化时间量而得到实时的声速；所述声速测量系统包括液位高度变化测量模块以及液位高度变化时间测量模块；所述液位高度变化测量模块包括两套激光干涉仪（4），两套液位高度跟踪装置和两套光学镜组；所述光学镜组分别设置在所述液位高度跟踪装置内和光线路径中，所述液位高度跟踪装置悬浮设置在所述声速测量U形管（1）内的液体中而实现不同压力下液位高度的实时跟踪，所述激光干涉仪（4）和所述的光学镜组实现不同压力下液位高度变化量△L的测量；所述液位高度变化时间测量模块包括两组超声晶片（15）和超声干涉仪（9）；所述两组超声晶片（15）分别设置在所述声速测量U形管（1）两臂的底端，所述超声干涉仪（9）与所述超声晶片（15）通过测量一定频率2MHz～10MHz的超声波在液体中的渡越时间而得到液位变化的时间变化量△T；所述声速测量系统通过测量液位变化的时间变化量△T和由于压力变化导致的液位高度变化量△L，并通过所述数据采集和处理系统（8）而实时地得到超声波在液体介质中的声速C；所述高度测量系统包括一组高度测量U形管（2）、两组超声晶片（15）和超声干涉仪（9）；所述两组超声晶片（15）分别设置在所述高度测量U形管（2）两臂的底端，所述超声干涉仪（9）与所述超声晶片（15）通过测量不同压力下 超声波在液体中的渡越时间并通过所述数据采集和处理系统（8）依据所述声速测量系统测得的声速而计算得到不同压力所引起的液柱高度的变化从而得到最终压力值；所述气控系统（16）用于控制所述各组U形管两端的压力；气控系统（16）包括控制机柜、控制阀门管路、泵组和一组监视仪表；所述泵组用于两组U形管中参考端的抽空以及气体压力的抽出；所述控制阀门管路连接着所述高度测量系统和所述声速测量系统的气路，实现它们之间的关断、连通以及压力大小的调节；所述控制机柜实现对所述控制阀门管路和所述泵组的控制；所述液控系统（17）包括真空储油罐（1701），U形管间连接液路以及阀门，用于所述U形管内液体的注入以及U形管各臂之间的液路连接的通和断；所述数据采集和处理系统（8）包括计算机以及开关控制器（22）；所述数据采集和处理系统（8）利用开关控制器（22）实现不同通道数据的读取，并根据所述声速测量系统输入的液位变化的时间变化量△T和液位高度变化量△L，得到超声波在液体介质中的声速C，后根据所述高度测量系统所测得的不同压力下超声波在液体中的渡越时间得到U形管内液柱的高度差，最终得到所测的压力。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李燕华，杨远超，王金库，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：实用新型
国别省市：