一種聲速實時標定的液體壓力計及壓力測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種聲速實時標定的液體壓力計及壓力測量方法。液體壓力計可以實現(xiàn)絕壓、表壓和差壓的測量，包括聲速測量系統(tǒng)和高度測量系統(tǒng)；二者的外形為高低U型管結構，并連接至同一個待測壓力處；聲速測量系統(tǒng)中設置有自由懸浮于液面的浮子；浮子內部設置有激光反射部件，浮子的下端面為超聲信號的反射面；U形管底部設置有超聲晶片。本壓力測量方法，是通過對U型高低管中的低管施加壓力時，高低管之間產生相應變化的液位差，激光干涉儀和超聲干涉儀實時測量浮子的位移以及對應的超聲回波時間，進而得到實時的聲速；高度測量系統(tǒng)根據該聲速和超聲干涉儀測得超聲波在此壓力下在液體介質中的渡越時間，再依據聲速測量系統(tǒng)測得的聲速而得到液柱高度差，從而得到被測壓力。本發(fā)明通過改進測量裝置的結構，使超聲接收信號的信噪比大大提高，大大降低了液體壓力計的測量不確定度。
【專利說明】一種聲速實時標定的液體壓力計及壓力測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種液體壓力計，尤其涉及一種帶有聲速實時標定功能的液體壓力計，本發(fā)明涉及的一種聲速實時標定的液體壓力計的實際名稱為(0-10) kPa微壓液體壓力基準。
【背景技術】
[0002]由于高準確度的液體壓力計可以直接溯源至基本量而被各國家計量機構廣泛作為氣壓段以下的國家壓力基準。在我國，在IOkPa以下的微小壓力段，一直以來都沒有建立相應的基標準裝置。(0-10) kPa微壓液體壓力基準的建立將完善我國的壓力基標準體系，填補我國此量程段壓力基標準的空白，解決此量程段全國壓力標準的溯源難題。
[0003]針對我國現(xiàn)有的壓力基標準的建立情況，在IOkPa的絕壓測量上一直都是空白，為了填補IOkPa以下我國壓力基準的空白，完善我國的基標準體系，滿足日益增加的壓力溯源及傳遞的要求以及提升我國CMC能力，我們提出了本申請，旨在通過建立一套(O?10)kPa微壓段的液體壓力測量系統(tǒng)和方法，同時實現(xiàn)表壓、絕壓和差壓的測量，填補我國微壓壓力基準的空白，進一步完善我國現(xiàn)有的壓力基標準體系，更好的為國民經濟服務。
[0004](0-10) kPa微壓液體壓力基準基于流體靜力平衡原理和流體靜力平衡方程，SPP= pgh,通過精確測量液體密度P、當地重力加速度g和液柱高度差h而得到被測壓力值。其中當地的重力加速度由我院力學處重力加速度室在2011年10月測得，其值為9.801260m/s2，其測量不確定度為0.1ppm0液體密度由我院密度室測得，其測量不確定度為
5.8ppm，液體的高度差通過測量穿過液柱的超聲波從發(fā)射到接收的時間，采用超聲干涉的方法，利用超外差接器、正交相敏探測器和門控積分器精確測量由于液柱高度的變化導致的相位的變化，其聲時的測量不確定度為0.3ns，相應的高度測量不確定度約為0.6um。微壓液體壓力基準的不確定度為0.003%。
[0005]現(xiàn)有技術中，中國專利CN2247804Y提供了一種超聲波數字化微壓差計，其特點如下:
[0006]I)采用蒸餾水為工作介質。
[0007]由于水的室溫飽和蒸汽壓很高(約為2000Pa)，只適合表壓的測量，不適合絕壓的測量。
[0008]2)采用標準管來標定聲速。
[0009]現(xiàn)有技術通過預先測量的標準管的長度作為實際超聲波的渡越距離。實際上，超聲波的渡越距離與標準管的長度相差很大，主要是由于:超聲晶片是通過粘合劑粘帖在固定板上的，因此超聲晶片發(fā)射的超聲波也要穿越一定厚度的粘合劑，而粘合劑的厚度很難測量；另外超聲傳感器須通過氟橡膠O型圈或聚四氟墊片與標準管密封連接，而壓緊時這種形式的密封墊片都會有形變，因此導致實際上超聲波標準管的長度根本無法精確測量(測量誤差大于1mm)，所以嚴格來講，標準管的長度雖然能夠精確測量，但它的長度并不是超聲波穿越此標準管的真實距離。因此用這種方式標定的聲速具有較大的測量誤差。[0010]3)未采用溫度穩(wěn)定措施。
[0011]由于液體中的聲速對溫度非常敏感，每0.1°C溫度變化會帶來大約0.03%的聲速的變化，因此如果沒有均勻和穩(wěn)定的溫場，液柱的高度測量會有很大誤差。

【發(fā)明內容】

[0012]為了解決現(xiàn)有技術中的液體壓力計無法測量絕壓和無法作為基標準精確測量壓力的問題，本發(fā)明提供了一種能實現(xiàn)聲速實時標定的液體壓力計。
[0013](0-10) kPa微壓液體壓力基準可以實現(xiàn)微小表壓、差壓和絕壓的測量。主要包括U型管容器系統(tǒng)、超聲測量系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、聲速測量系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)、真空箱體及其吊裝機構以及數據采集處理系統(tǒng)?；鶞什捎肈1-2-ethlhexyl Sebacate(DEHS)為液體工作介質，為了解決液體介質對金屬容器壁的攀附現(xiàn)象，我們采用了一種疏油特氟龍涂層，并在聲速測量系統(tǒng)中，設計制作了專門的浮子機構，首次實現(xiàn)聲速的實時測量，以便排除溫度、壓力對聲速的影響。U型管容器系統(tǒng)置于真空箱體之內，真空箱內的壓力小于10Pa，以避免外界空氣向系統(tǒng)的滲漏并保持真空箱內液體壓力計溫度的穩(wěn)定。6只標準鉬電阻溫度計布于液體壓力計的不同部位，整套裝置通過計算機、3499開關控制器和測試軟件實現(xiàn)數據的自動采集與處理。
[0014]本發(fā)明所采用的技術原理和方案
[0015](O?10) kPa的微壓液體壓力基準基于U型液體壓力計的工作原理，即施加于U形管一端的被測壓力P與由此而引起的液柱高度差h而產生的重力相平衡，即:
[0016]p=r gh
[0017]式中r為液體介質的密度，g為當地的重力加速度。
[0018]在上式的3個決定壓力大小的主要影響量中，重力加速度和密度都可以用相應方法準確測得，而如何精確地測量液柱高度差是決定液體壓力計性能指標的最關鍵因素。
[0019](O?10) kPa的微壓液體壓力系統(tǒng)米用D1-2-ethlhexyl sebacate (DIiHS)為其液體工作介質，采用超聲超外差的方法來測量超聲波在通過液體介質時從發(fā)射到接收的渡越時間，同時液體壓力基準的聲速測量系統(tǒng)通過對此時實時聲速的測量從而得到不同壓力和溫度下的超聲聲速，再由此時的聲時和聲速計算出液柱高度差，而最終得到所測的壓力。
[0020]傳統(tǒng)的U形液體壓力計的U型管的兩端處于同一個水平面上，當被測壓力作用于U形管的一端時，U形管一端中的液體下降l/2h，U形管另一端中的液體上升l/2h，此時，如果工作液體的密度為r,當地的重力加速度為g，則被測壓力p=rgh。也就是說若要測量p=rgh大小的壓力，U型管兩端單臂(單管)的高度需要達到h的高度。
[0021](O?10)kPa的微壓液體壓力基準的U型容器系統(tǒng)的U形管的兩端分別坐落在落差為500mm的兩個平臺上。在U型管兩端壓力相等時，U型管內的液體處于同一水平面上，當壓力P = P gh作用于處于較低位置的低管時，低管內的液體液位下降l/2h的高度，高管內液體的液位上升l/2h的高度，由于U型管落差的存在，這時要測量p=rgh大小的壓力，U型管兩端單臂(單管)的高度只要達到l/2h的高度即可。這樣設計的目的，可以大大減小U型管單臂的長度，使得單臂內液體的高度減小了一半，解決了超聲波在液體介質中特別是油介質中信號衰減較大的難題，使得超聲接收信號的信噪比大大提高。
[0022]本發(fā)明中利用超聲測量聲時的方法最終測量液柱高度。超聲聲時的測量方法有多種，其中常用的有脈沖回波計數法、脈沖回鳴法、脈沖回波疊加法和超聲干涉法。后兩者在特定條件下能非常精密地測量介質的絕對聲時。本發(fā)明中包括的超聲聲時的測量采用超聲干涉技術測量超聲信號在液柱中的傳播時間，其原理是測量超聲回波信號與初始信號的相位差j。
[0023]初始超聲信號可用下式表示:
[0024]y0=A0 cos (2p ft)(2-1)
[0025]其中Atl是初始信號的幅度，f是信號的頻率，其初始相位設為O。在液柱中傳播一段距離后的回波信號則為:
[0026]y=Acos (2p ft+j)(2-2)
[0027]其中A是回波信號的幅度，爐為包含了超聲信號在液柱中傳播距離信息的相位。相位與信號傳播時間T的關系為:
[0028]j=-2p fT(2-3)
[0029]其中T為傳播時間，包括在液柱中傳播時間和在電路中的延時。如果超聲在電路中的延時是穩(wěn)定的，那么傳播時間的差值即是液柱中聲時的差值；也可以采用第二個回波和第一個回波的相位差(或聲時差)，這樣相應的時間就只是在液柱中的傳播時間。
[0030]具體實現(xiàn)時采用經90°移相 器移相后的信號Yci=AciSinQp ft)和移相前的yQ=AQcos (2p ft)為參考信號，參考信號和回波信號經正交相變探測器后，高頻信號被濾掉，只剩下含有相變信息j的低頻信號U1=Sinj和U2=Cosj,從而得到j
[0031]tan/

W-,
[0032]/ =tan 丨(-L)

U2
[0033]本發(fā)明中所述的聲速測量系統(tǒng)，其原理是當壓力變化時，自由漂浮于液體液面上的浮子即液位高度跟蹤裝置會隨著液位的改變而改變。此時安裝于聲速測量U形管下面的超聲晶片，在頻率合成器的激勵下，產生2MHz的超聲波，此超聲信號穿過液體介質發(fā)射到浮子的下端面，此時浮子的下端面作為超聲信號的反射面，反射回來的帶有液位高度變化信息的超聲波被超聲晶片接收，而得到由于液位變化而導致的聲時的變化量t-V同時，激光干涉儀測量到由于壓力變化而導致的液位高度變化量(L-Ltl),從而得到超聲波在液體介質中的聲速C。
2(L- L0)
[0034]C=-
[0035]式中Ici和L分別為浮子隨液位變化前后激光干涉儀測得的高度值；
[0036]t0和t分別為浮子隨液位變化前后超聲測量系統(tǒng)測得的聲時。
[0037]本發(fā)明的技術方案如下:一種聲速實時標定的液體壓力計，所述液體壓力計包括高度測量系統(tǒng)，聲速測量系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)、液控系統(tǒng)以及數據采集和處理系統(tǒng)；
[0038]所述高度測量系統(tǒng)和和聲速測量系統(tǒng)分別包括一組U形管:高度測量U形管和聲速測量U形管，分別用于測量超聲波在液體中的渡越時間和測量液位高度變化量以及液位高度變化時間量；所述高度測量U形管和所述聲速測量U形管均充入一定量的液體，且兩組U形管內的液體是連通的；[0039]所述聲速測量系統(tǒng)包括液位高度變化測量模塊以及液位高度變化時間測量模塊；
[0040]所述液位高度變化測量模塊包括兩套激光干涉儀，兩套液位高度跟蹤裝置和兩套光學鏡組；所述光學鏡組分別設置在所述液位高度跟蹤裝置內和光線路徑中，所述液位高度跟蹤裝置懸浮設置在所述聲速測量U形管內的液體中實現(xiàn)不同壓力下液位高度的實時跟蹤，所述激光干涉儀和所述的光學鏡組實現(xiàn)不同壓力下液位高度變化量Λ L的測量；
[0041]所述液位高度變化時間測量模塊包括兩組超聲晶片和超聲干涉儀；所述兩組超聲晶片分別設置在所述聲速U形管兩臂的底端，所述超聲干涉儀與所述超聲晶片通過測量一定頻率2MHz?IOMHz的超聲波在液體中的渡越時間而得到液位變化的時間變化量Λ T ；
[0042]所述聲速測量系統(tǒng)用于根據液位變化的時間變化量Λ T和由于壓力變化導致的液位高度變化量Λ L，得到超聲波在液體介質中的聲速C ；
[0043]所述高度測量系統(tǒng)包括一組高度測量U形管、兩組超聲晶片和超聲干涉儀；所述兩組超聲晶片分別設置在所述高度測量U形管兩臂的底端，所述超聲干涉儀與所述超聲晶片通過測量，測得不同壓力下超聲波在液體中的渡越時間；
[0044]所述氣控系統(tǒng)用于控制所述各組U形管兩端的壓力；氣控系統(tǒng)包括控制機柜、控制閥門管路、泵組和一組監(jiān)視儀表；所述泵組用于兩組U形管中參考端的抽空以及氣體壓力的抽出；所述控制閥門管路連接著所述高度測量系統(tǒng)和所述聲速測量系統(tǒng)，實現(xiàn)它們之間的關斷、連通以及壓力大小的調節(jié)；所述控制機柜實現(xiàn)對所述控制閥門管路和所述泵組的控制；
[0045]所述液控單元包括真空儲油罐，U形管間連接液路以及閥門，用于對所述U形管內注入液體以及U形管各臂之間的液路連接的通和斷；
[0046]所述數據采集和處理系統(tǒng)用于開關控制器的控制以及各種溫度、壓力和監(jiān)視儀表數據的采集，并根據所述聲速測量系統(tǒng)輸入的液位變化的時間變化量Λ T和液位高度變化量Λ L，得到超聲波在液體介質中的聲速C，后根據所述高度測量系統(tǒng)所測得的不同壓力下超聲波在液體中的渡越時間得到高度測量U形管內液柱的高度差，經過必要的參數修正后最終得到所測的壓力。
[0047]為了解決現(xiàn)有技術中聲速測量時無法準確測量標準長度的問題，設計了獨特的液位跟蹤裝置并將聲速測量時的長度直接溯源至激光頻率，所述液位高度跟蹤裝置置于所述的聲速測量系統(tǒng)中的聲速測量U形管內的液體中，且其結構為浮子，其包括浮筒、角錐鏡固定架、浮耳組和導軌；所述浮耳組設置在浮子的上表面外側，且一個浮耳內設置有導軌軸承，所述導軌穿過該所述浮耳內的軸承；所述角錐鏡固定在所述角錐鏡固定架上，所述角錐鏡固定架固定在所述浮筒內中心位置；所述浮子懸浮在液體中，并隨著液面的上下變化而自由的上下運動，且不會有水平位移。
[0048]為了克服現(xiàn)有技術中信號衰減和提高信噪比，所述高度測量系統(tǒng)和和聲速測量系統(tǒng)所包括的高度測量U形管和聲速測量U形管的兩臂呈高低錯落布置；高管和低管之間的聞度差范圍是200mni_800Mn ；
[0049]所述聲速測量U形管和高度測量U形管各包括2根不銹鋼管；4根不銹鋼管等長度。4根所述不銹鋼管構成2組U型壓力計，每組U形管間對應的高低管之間以及兩個U型管之間分別相連，并通過閥門控制各組U形管兩臂之間的開關以及兩組U形管之間的開關。[0050]所述液位高度變化測量模塊中，所述每套光學鏡組包括一個角錐鏡和一個復合鏡，所述一個角錐鏡設置在所述浮子內，所述復合鏡設置在光線路徑上；
[0051]所述激光干涉儀發(fā)出的激光通過復合鏡入射到位于浮子中央的角錐鏡上，并經過角錐鏡的反射，得到與入射光平行的反射光，反射光再次通過復合鏡后被激光干涉儀接收，得到浮子隨液位高度變化而變化的高度數值。
[0052]4組所述超聲晶片分別設置在所述高度測量U形管和聲速測量U形管兩臂的底端，所述聲速測量U形管的超聲晶片產生的一定頻率的超聲波穿過液體介質，到達隨液位升降而升降的所述浮子的下端面，浮子的下端面作為超聲信號的反射面，反射回來的帶有液位高度變化信號的超聲波信號被超聲晶片接收，得到由于液位變化而產生聲時的變化量AT。
[0053]為了時時監(jiān)控溫度變化，所述液體壓力計還包括溫度測量系統(tǒng)，所述溫度測量系統(tǒng)包括一組標準鉬電阻溫度計和測溫電橋；各個所述標準鉬電阻溫度計均勻固定在所述兩組U形管外壁；所述測溫電橋與所述標準鉬電阻溫度計測得各點的溫度信號，同時與所述的數據采集與處理系統(tǒng)連接，實現(xiàn)溫度的采集和數據的處理。
[0054]為了解決現(xiàn)有技術中溫度的變化對聲速的影響，極大限度地提升測量水平，所述液體壓力計設計了真空箱體，高度測量U形管和聲速測量U形管設置在真空箱體內，且真空箱體內的真空度通過機械泵保持在小于IOPa的壓力下，以減小熱傳導和熱對流。
[0055]為了解決現(xiàn)有技術在測量中的液體攀附的問題，2組所述U形管的內壁和浮子的外壁設置有特氟龍涂層。
[0056]本發(fā)明另一個發(fā)明點就是采用如前所述的液體壓力計的測量方法，
[0057]所述方法包括:A搭建液體壓力計過程，B壓力控制過程，C測量過程，D采集和處理數據過程；
[0058]所述方法包括:A搭建液體壓力計過程，B壓力控制過程，C測量過程，D采集和處理數據過程；
[0059]所述A搭建液體壓力計過程包括將高度測量系統(tǒng)，聲速測量系統(tǒng)，氣控系統(tǒng)，液控系統(tǒng)，溫度測量系統(tǒng)以及數據采集和處理系統(tǒng)，真空箱體通過線路及各種控制閥連接；
[0060]所述B壓力控制過程包括對U形管兩端進行壓力控制，實現(xiàn)表壓、差壓和絕壓的測量;
[0061]所述C測量過程包括，采用超聲干涉法測量超聲波在液體中的渡越時間；且進行聲速的實時測量；所述聲速的實時測量方法:采用激光干涉儀和超聲干涉儀分別測量液位高度跟蹤裝置所移動的距離以及移動此距離的聲時的變化量而得到工作溫度、壓力等條件下的實時的聲速；
[0062]具體測量過程包括開啟各個測量設備，并對2組U形管中的2根低管加壓，所述激光干涉儀和所述超聲干涉儀通過測量液位高度跟蹤裝置在此溫度和壓力下的移動距離ΛL和時間Λ Τ，得到在此溫度和壓力下超聲波的聲速，所述高度測量系統(tǒng)中的超聲干涉儀通過測量超聲波在液體介質中的渡越時間Τ，并依據所述聲速測量系統(tǒng)得到的聲速，得到液柱的高度從而最終得到被測得壓力。即通過高度測量系統(tǒng)和聲速測量系統(tǒng)共同實現(xiàn)液柱高度的測量；
[0063]所述D采集和處理數據過程包括，所述數據采集和處理系統(tǒng)利用開關控制器根據需要讀取各點的溫度數值，同時采集聲速測量系統(tǒng)和高度測量系統(tǒng)的測量數據以及各監(jiān)視儀表的數值，對所有測量結果的計算以及完成必要的修正后得到被測壓力值。
[0064]所述U形管中的液體為癸二酸二異辛酯。
[0065]本發(fā)明帶來的有益效果如下:
[0066]I)本發(fā)明采用U型高低管落差布局，由于U型高低管中的兩支單管之間存在落差，因此測量P=rgh的壓力時，只需令兩支單管中的液面落差達到l/2h即可。因此，使得單管高度減小了一半，解決了超聲波在液體介質中特別是油介質中信號衰減較大的難題，使得超聲接收信號的信噪比大大提高。
[0067]2)本發(fā)明采用了一定成分的絕熱技術，將液體壓力計置于一真空腔體中，腔體內的真空度小于10Pa，因此大大減少了熱對流和熱傳導，使液體壓力計的溫度均勻穩(wěn)定。
[0068]3)本發(fā)明采用癸二酸二異辛酯代替蒸餾水作為工作介質，其常溫下的飽和蒸汽壓約為5 X 10_6Pa，遠小于蒸餾水的飽和蒸汽壓(2000Pa)，更適合絕壓的測量。
[0069]4)激光干涉儀的長度測量誤差小于0.1um,因此利用激光干涉儀實時地測量浮子的移動距離以及浮子移動此距離的超聲回波時間而得到實時地聲速，大大降低了液體壓力計的測量不確定度，使不確定度由0.03%降低到0.003%。
[0070]5)本發(fā)明對U形管采用了特氟龍噴涂處理，解決了液體在容器表面的攀附問題，使液位高度測量的不確定度大大降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0071]圖1為本發(fā)明一種聲速實時標定的液體壓力計的結構示意圖；
[0072]圖2為本發(fā)明U形管組的結構示意圖；
[0073]圖3為本發(fā)明中U形管組氣路與液路連接示意圖；
[0074]圖4為本發(fā)明中聲速測量和溫度測量工作示意圖；
[0075]圖5為本發(fā)明中浮子的結構示意圖；
[0076]圖6為本發(fā)明中氣控系統(tǒng)的結構示意圖
[0077]附圖編號說明:
[0078]1-聲速測量U形管；2-高度測量U形管；3-浮子；4_激光干涉儀；
[0079]5-真空腔體；6_溫度傳感器；7_測溫電橋；8_信號處理系統(tǒng)；
[0080]9-超聲干涉儀；10_角錐鏡；11_反光鏡；12_浮筒；13_角錐鏡固定架；
[0081];15_超聲晶片；16_氣控系統(tǒng)；17_液控系統(tǒng)；18_測高關斷閥；
[0082]19-聲速關斷閥；20_測高/聲速關斷閥；21_真空罩電阻規(guī)；
[0083]22-開關控制器；
[0084]1601-干泵；1602-第一油泵；1603_電阻規(guī)；1604-高壓氮氣；
[0085]1605-數字壓力表；1606-減壓器；1607-微調閥；1608-壓力計；
[0086]1609-電離規(guī)；1610-分子泵；1611-薄膜真空計
[0087]1701-真空儲油罐；1702_第二油泵；1703_第三電磁閥；1704_第四球閥；
[0088]El-第一電磁閥；E2-第二電磁閥；
[0089]Kl-第一關斷閥；Κ2_第二關斷閥；Κ3_第二關斷閥；Κ4_第四關斷閥；
[0090]Κ5-第五關斷閥；Κ6_第六關斷閥；Κ7_第七關斷閥；Κ8_第八關斷閥；
[0091]Κ9-第九關斷閥；Κ10_第十關斷閥；Κ11_第十一關斷閥；[0092]K12-第十二關斷閥；N1-第一針閥；N2-第二針閥；N3_第三針閥；
[0093]N4-第四針閥；N5-第五針閥；B3_第一球閥；B4_第二球閥；
[0094]B5-第三球閥；
[0095]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細地說明，本發(fā)明的保護范圍不局限于下述的【具體實施方式】。
【具體實施方式】
[0096]本發(fā)明中聲速實時標定的液體壓力計中的U形管的兩端分別坐落在落差為500mm的兩個平臺上，如圖1或圖2所示。在U型管兩端壓力相等時，U型管內的液體處于同一水平面上，當壓力P=rgh作用于處于較低位置的低管時，低管內的液體液位下降l/2h的高度，高管內液體的液位上升1/2和的高度，由于U型管落差的存在，這時要測量測量p=rgh大小的壓力，U型管兩端單臂(單管)的高度只要達到l/2h的高度即可。這樣設計的目的，可以大大減小U型管單臂的長度，使得單臂內液體的高度減小了一半，解決了超聲波在液體介質中特別是油介質中信號衰減較大的難題，使得超聲接收信號的信噪比大大提高。
[0097]由圖1可以看出，U型容器系統(tǒng)由4根高度相同的，內徑為90mm的不銹鋼管分別坐落在落差在500mm的兩個平臺上，4根不銹鋼管實際上構成2個U型壓力計，其中一個U型壓力計(右側兩根高低不銹鋼管)用于聲速的測量，左側U型管壓力計(左側兩根不銹鋼管)用于測量被測壓力，兩個U型管壓力計的對應的高低管之間以及兩個U型管壓力計之間分別相連，并有閥門用于控制它們之間的通與斷，以滿足不同的測量需求。當這些連通閥門開啟時，兩套U型管壓力計(即壓力測量U型計和聲速測量U型計)中的液位高度隨著壓力的變化，同時發(fā)生相同的變化，這樣用于聲速的U型管即可以得到此時壓力和溫度條件下實時的聲速，用于壓力測量的U型管可以根據這個實標的聲速和超聲干涉儀測得的時間，得到此時的被測壓力。
[0098]由于我們使用的工作介質為D1-2-ethlhexyl sebacate (DEHS),這是一種飽和蒸汽壓非常小的油，其蒸氣壓可以達到10_6Pa，但這種油對不銹鋼有較強的攀附效應，為了解決這種油在不銹鋼內壁上的攀附問題，我們選擇了特氟龍材料對不銹鋼管進行了處理:將特氟龍材料噴涂在4根不銹鋼管的內壁。經過這種處理，使得(DHlS)在不銹鋼表面上的接觸角從14°增加到56°。經過實驗，采用這種材料的噴涂處理后的U型容器系統(tǒng)由于液體介質的攀附作用而導致的液柱高度的變化由20um降低到3um。
[0099]U型容器系統(tǒng)的下部有用于油路連通的管路，上部有用于氣路連通的管路，用于油路連通的管路為3/8軟管和接頭，用于氣路連通管路為KF25、CF25及波紋管。U型容器系統(tǒng)的油路通過真空腔體5上的接口和閥門實現(xiàn)聲速高低管之間的關斷、壓力測量高低管間的關斷以及聲速與壓力測量管間的關斷，并最終與真空腔體5外的真空儲油罐1701相連；U型容器系統(tǒng)的氣路通過真空腔體5上的接口和閥門實現(xiàn)聲速與壓力測量管間參考端以及聲速與壓力測量管間壓力端的關斷，并最終與氣控系統(tǒng)16的參考端與壓力端相連。
[0100]聲速測量系統(tǒng)包括U型管組、浮子3系統(tǒng)、激光干涉測長系統(tǒng)和超聲測量系統(tǒng)。
[0101]具體的，U型管系統(tǒng)實質上是U型容器系統(tǒng)的一部分，由兩根錯落布置的不銹鋼管組成，兩根不銹鋼管通過3/8英寸的軟管相連，并分別通過關斷閥與壓力測量管的高管和低管相連，以實現(xiàn)不同壓力和溫度條件下超聲波在油中聲速的實時測量。U型管系統(tǒng)氣路和液路的結構和連接如圖所示。
[0102]浮子3主要由浮筒12、角錐鏡固定架13、角錐鏡10、浮耳和導軌等組成，如圖所示。
[0103]角錐鏡10通過角錐鏡固定架13放置于浮筒12的中心位置，3個浮耳均勻固定在浮筒12上部的圓周上，其中一個浮耳的內部通過軸承可以保證在3mm光軸上的上下靈活運動，這樣就可以實現(xiàn)固定角錐鏡10的浮筒12可以懸浮在油中，并隨著油面的上下變化而自由的上下運動。
[0104]激光干涉測長系統(tǒng)采用兩套RENISSAW的XL80激光干涉儀4系統(tǒng)。該干涉儀數據穩(wěn)定，發(fā)熱量小，零漂小，其測量不確定度小于0.5ppm。兩臺激光干涉儀4分別固定在調整臺上，能夠實現(xiàn)X、Y、Z以及前傾、側傾的調整；分光鏡和參考鏡固定在一起，通過螺栓擰緊，防止相對位移造成測量誤差。分光鏡置于調節(jié)架上，調節(jié)架能夠調節(jié)X、Y、Z向以及俯仰角與傾角等方向的調整。立體棱鏡(角錐鏡)固定于安裝在浮筒3中央的浮子架上。
[0105]激光頭發(fā)出的激光可以透過真空腔體5上蓋位于聲速測量U型管I上部的透光孔，入射到位于浮子3中央的角錐鏡10上，并經過角錐鏡10的反射，得到與入射光平行的反射光而被激光干涉儀4接收，從而實現(xiàn)浮子3隨液位高度變化而變化的高度。
[0106]本發(fā)明中，溫度測量系統(tǒng)主要由6支標準鉬電阻溫度計6、F18測溫電橋7組成。6支標準鉬電阻溫度計6中有3支PT25的162D標準鉬電阻溫度計，另外3支為PT100的鉬電阻溫度計。其中的五支鉬電阻溫度計6通過導熱塊固定于液體壓力計U型容器的4根測量管的不同高度上，一支安裝在液體壓力計壓力測量高管的下部，并通過紫銅管與液體介質接觸。六支鉬電阻溫度計6的安裝位置如圖。
[0107]這六支鉬電阻溫度計6通過安裝在真空腔體5上的真空插頭與keithley3499開關控制器22相連，由數據采集與處理系統(tǒng)控制3499開關通道的選取，對六支鉬電阻溫度計6得到的溫度進行采集。采用Tinsley的5685A (1000HM)作為F18測溫電橋7的標準電阻，F(xiàn)18測溫電橋7的不確定度為0.lmk。
[0108]本發(fā)明中，氣控系統(tǒng)16主要用于控制U型管兩端(參考端和壓力端)的壓力。氣控系統(tǒng)主要包括控制機柜、控制閥門管路、分子泵1610、機械泵、薄膜計和各種監(jiān)視儀表組成。可以實現(xiàn)微小表壓、差壓和絕壓的控制和測量。
[0109]圖中，抽空端為系統(tǒng)的參考端，通過波紋管和真空腔體5上的KF25接口與U型容器系統(tǒng)的參考端相連，加壓端為壓力端，通過波紋管和真空腔體5上的KF25接口與U型容器系統(tǒng)的壓力端相連。第六關斷閥K6為連接參考端和壓力端的旁通閥，參考端的真空由連接于參考端的分子泵1610保證，Itorr的薄膜真空計和130kPa的數字壓力計用于參考端壓力的監(jiān)視；壓力端的傳壓介質為高純氮氣，其壓力可以通過微調閥1607進行微調并通過IOkPa數字差壓計對壓力端進行監(jiān)測。系統(tǒng)采用Leybold的Trivac D60C或IWATA ISP500C的機械泵進行系統(tǒng)的抽空。
[0110]當進行絕壓的測量時，首先開啟參考端和壓力端的第六關斷閥K6并開啟分子泵1610和機械泵對參考端和壓力端同時進行抽空，然后關閉第六關斷K6和第二針閥N2，開啟第三球閥B5并通過微調閥1607向壓力端加入所需要的壓力，在進行絕壓的測量時始終保持分子泵1610對參考端的抽空狀態(tài)，氣控系統(tǒng)16的在進行絕壓測量時其參考端的壓力通常在0.03Pa左右。
[0111]當進行差壓的測量時，首先開啟參考端和壓力端的第六關斷閥K6、第二針閥N2和第三球閥B5，之后通過微調閥1607向參考端加入所需要的參考壓力，然后關閉第六關斷閥K6和第二針閥N2，即可進行差壓的測量。。
[0112]本發(fā)明還包括真空腔體5是一個由4個有徑向加強筋的厚度為8_的不銹鋼圓筒疊落而成，腔體的直徑為800mm,高度為1800mm。圓筒之間通過卡箍固定相連；圓筒的上蓋板為厚度為36mm的鋁板，蓋板上有兩個玻璃透光孔，用于聲速測量時激光的透光窗；箱體的下部有一 KF40法蘭接口，與真空泵相連；一只電阻真空計通過KF16 口連接于箱體下部，用于監(jiān)視真空箱內的壓力；一臺抽速為81/s的干泵1601和一臺抽速為161/s的油泵1602用于真空腔體5內真空度的保持，使腔體內的壓力始終保持在IOPa以內。同時真空箱體上有6個CF25接口，其中兩個用于與氣控系統(tǒng)16的參考端和壓力端相連，另外4個分成兩組分別連接U型容器系統(tǒng)高度測量管和聲速測量管的參考端和壓力端，其中高度測量管和聲速測量管高管(參考端)之間、高度測量管和聲速測量管低管(壓力端)之間均有一擋板閥，可以控制實現(xiàn)其自由開關。
[0113]本發(fā)明中數據采集及處理系統(tǒng)實現(xiàn)了超聲聲時和溫度的自動采集。運行時，可自動切換3499A的開關控制器22，對6個鉬電阻溫度計6進行順序測量，實時記錄當前系統(tǒng)的溫度。
[0114]上述技術方案只是本發(fā)明的一種實施方式，對于本領域內的技術人員而言，在本發(fā)明公開了應用方法和原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本發(fā)明上述【具體實施方式】所描述的結構，因此前面描述的方式只是優(yōu)選地，而并不具有限制性的意義。
【權利要求】
1.一種聲速實時標定的液體壓力計，其特征在于: 所述液體壓力計包括高度測量系統(tǒng)，聲速測量系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)(16)、液控系統(tǒng)(17)以及數據采集和處理系統(tǒng)(8); 所述高度測量系統(tǒng)和聲速測量系統(tǒng)分別包括一組U形管:高度測量U形管(2)和聲速測量U形管(1)，兩組U形管中均充入液體，且兩組U形管內的液體是連通的；所述高度測量系統(tǒng)用于測量超聲波在液體中的渡越時間并根據所述聲速測量系統(tǒng)測得的聲速計算得到液柱的高度；所述聲速測量系統(tǒng)通過測量液位高度變化量以及液位高度變化時間量而得到實時的聲速； 所述聲速測量系統(tǒng)包括液位高度變化測量模塊以及液位高度變化時間測量模塊； 所述液位高度變化測量模塊包括兩套激光干涉儀(4 )，兩套液位高度跟蹤裝置和兩套光學鏡組；所述光學鏡組分別設置在所述液位高度跟蹤裝置內和光線路徑中，所述液位高度跟蹤裝置懸浮設置在所述聲速測量U形管(I)內的液體中而實現(xiàn)不同壓力下液位高度的實時跟蹤，所述激光干涉儀(4)和所述的光學鏡組實現(xiàn)不同壓力下液位高度變化量Λ L的測量； 所述液位高度變化時間測量模塊包括兩組超聲晶片(15)和超聲干涉儀(9);所述兩組超聲晶片(15)分別設置在所述聲速測量U形管(I)兩臂的底端，所述超聲干涉儀(9)與所述超聲晶片(15)通過測量一定頻率2MHz~IOMHz的超聲波在液體中的渡越時間而得到液位變化的時間變化量Λ T ； 所述聲速測量系統(tǒng)通過測量液位變化的時間變化量Λ T和由于壓力變化導致的液位高度變化量Λ L，并通過所述數據采集和處理系統(tǒng)(8)而實時地得到超聲波在液體介質中的聲速C ；` 所述高度測量系統(tǒng)包括一組高度測量U形管(2)、兩組超聲晶片(15)和超聲干涉儀(9);所述兩組超聲晶片(15)分別設置在所述高度測量U形管(2)兩臂的底端，所述超聲干涉儀(9)與所述超聲晶片(15)通過測量不同壓力下超聲波在液體中的渡越時間并通過所述數據采集和處理系統(tǒng)(8)依據所述聲速測量系統(tǒng)測得的聲速而計算得到不同壓力所引起的液柱高度的變化從而得到最終壓力值； 所述氣控系統(tǒng)(16)用于控制所述各組U形管兩端的壓力；氣控系統(tǒng)(16)包括控制機柜、控制閥門管路、泵組和一組監(jiān)視儀表；所述泵組用于兩組U形管中參考端的抽空以及氣體壓力的抽出；所述控制閥門管路連接著所述高度測量系統(tǒng)和所述聲速測量系統(tǒng)的氣路，實現(xiàn)它們之間的關斷、連通以及壓力大小的調節(jié)；所述控制機柜實現(xiàn)對所述控制閥門管路和所述泵組的控制； 所述液控系統(tǒng)(17)包括真空儲油罐(1701)，U形管間連接液路以及閥門，用于所述U形管內液體的注入以及U形管各臂之間的液路連接的通和斷； 所述數據采集和處理系統(tǒng)(8)包括計算機以及開關控制器(22);所述數據采集和處理系統(tǒng)(8)利用開關控制器(22)實現(xiàn)不同通道數據的讀取，并根據所述聲速測量系統(tǒng)輸入的液位變化的時間變化量Λ T和液位高度變化量Λ L，得到超聲波在液體介質中的聲速C，后根據所述高度測量系統(tǒng)所測得的不同壓力下超聲波在液體中的渡越時間得到U形管內液柱的高度差，最終得到所測的壓力。
2.根據權利要求1所述的一種聲速實時標定的液體壓力計，其特征在于:所述液位高度跟蹤裝置置于所述的聲速測量系統(tǒng)中的聲速測量U形管(I)內的液體中，且其結構為浮子(3)，包括浮筒(12)、角錐鏡固定架(13)、浮耳組和導軌；所述浮耳組設置在浮筒(12)的上表面外側，且一個浮耳內設置有導軌軸承，所述導軌穿過該所述浮耳內的軸承；所述角錐鏡固定架(13)用于固定所述光學鏡組(10，11)中的角錐鏡(10)并被固定在所述浮筒(12)內的中心位置；所述浮子(3)懸浮在液體中，并隨著液面的上下變化而自由的上下運動，且不會有水平位移。
3.根據權利要求1或2所述的一種聲速實時標定的液體壓力計，其特征在于: 所述高度測量系統(tǒng)和聲速測量系統(tǒng)所包括的高度測量U形管(2)和聲速測量U形管(I)各包括2根不銹鋼管；所述兩根不銹鋼管呈高低錯落布置；4根所述不銹鋼管等長度；且所述聲速測量U形管(I)和高度測量U形管(2)中高管和低管之間的高度差范圍是200mm-800mm ； 4根所述不銹鋼管構成2組U型壓力計，其中所述聲速測量U形管(I)用于聲速的測量，另一高度測量U形管(2)用于測量超聲波在液體中的渡越時間，每組U形管的高低管之間以及兩個U型管之間分別相連，并通過閥門控制各組U形管高低管之間的開關以及兩組U形管之間的通斷。
4.根據權利要求1或2所述的一種聲速實時標定的液體壓力計，其特征在于: 所述液位高度變化測量模塊中，所述每套光學鏡組(10，11)包括一個角錐鏡(10)和一個復合鏡(11)，一個所述角錐鏡(10 )設置在所述浮子(3 )內，所述復合鏡(11)設置在光線路徑上； 所述激光干涉儀(4)發(fā)出的激光通過所述復合鏡(11)入射到位于浮子(3)中央的角錐鏡(10)上，并經過角錐鏡(10)的反射，得到與入射光平行的反射光，反射光再次通過復合鏡(11)被激光干涉儀(4)接收，得到液位高度變化的數值。
5.根據權利要求1或2所述的一種聲速實時標定的液體壓力計，其特征在于: 4組所述超聲晶片(15)分別設置在所述高度測量U形管(2)和聲速測量U形管(I)兩臂的底端，所述聲速測量U形管(I)的超聲晶片(15)產生的一定頻率的超聲波穿過液體介質，到達所述浮子(3)的下端面，浮子(3)的下端面作為超聲信號的反射面，反射回來的帶有液位高度變化信號的超聲波信號被超聲晶片(15)接收，從而得到由于液位變化而產生的聲時的變化量Λ T0
6.根據權利要求1所述的一種聲速實時標定的液體壓力計，其特征在于: 所述液體壓力計還包括溫度測量系統(tǒng)，所述溫度測量系統(tǒng)包括一組標準鉬電阻溫度計(6)和測溫電橋(7);各個所述標準鉬電阻溫度計(6)均勻固定在所述兩組U形管外壁；所述測溫電橋(7)與所述標準鉬電阻溫度計(6)測得各點的溫度信號，同時與所述的數據采集與處理系統(tǒng)(8)連接，實現(xiàn)溫度的采集和數據的處理。
7.根據權利要求1所述的一種聲速實時標定的液體壓力計，其特征在于: 所述液體壓力計包括真空箱體(5 )，2組所述U形管設置在真空箱體(5 )內，且真空箱體(5)內的真空度通過機械泵保持在小于IOPa的壓力。
8.根據權利要求1或2所述的一種聲速實時標定的液體壓力計，其特征在于: 2組所述U形管的內壁和浮子(3)的外壁設置有特氟龍涂層。
9.采用如權利要求1-8所述的液體壓力計的測量方法，其特征在于:所述方法包括:A搭建液體壓力計過程，B壓力控制過程，C測量過程，D采集和處理數據過程； 所述A搭建液體壓力計過程包括將高度測量系統(tǒng)，聲速測量系統(tǒng)，氣控系統(tǒng)(16)，液控系統(tǒng)(17)，溫度測量系統(tǒng)以及數據采集和處理系統(tǒng)(8)，真空箱體(5)通過線路及各種控制閥連接；所述B壓力控制過程包括對U形管兩端進行壓力控制，實現(xiàn)表壓、差壓和絕壓的測量；所述C測量過程包括，采用超聲干涉法測量超聲波在液體中的渡越時間；且進行聲速的實時測量；所述聲速的實時測量方法:采用激光干涉儀(4)和超聲干涉儀(9)分別測量自由漂浮在液面上的浮子(3)所移動的距離以及移動此距離的聲時的變化量而得到工作溫度、壓力等條件下的實時的聲速； 具體測量過程包括開啟各個測量設備，并對2組U形管中的2根低管加壓，所述激光干涉儀(4 )和所述超聲干涉儀(9 )通過所述浮子(3 )的上下移動，使所述激光干涉儀(4 )和所述超聲干涉儀(9)得到浮子(3)在此溫度和壓力下的移動距離Λ L和時間AT，得到在此溫度和壓力下超聲波的聲速； 所述高度測量系統(tǒng)中的超聲干涉儀(9)通過測量超聲波在液體介質中的渡越時間Τ，并依據所述聲速測量系統(tǒng)得到的聲速，得到液柱的高度從而最終得到被測得壓力。即通過高度測量系統(tǒng)和聲速測量系統(tǒng)共同實現(xiàn)液柱高度的測量； 所述D采集和處理數據過程包括，所述數據采集和處理系統(tǒng)(8)利用開關控制器(22)根據需要讀取各點的溫度數值，同時采集聲速測量系統(tǒng)和高度測量系統(tǒng)的測量數據以及各監(jiān)視儀表的數值，對所有測量結果的計算以及完成必要的修正后得到被測壓力值。
10.根據權利要求9所述的液體壓力計測量方法，其特征在于: 所述U形管中的液體為癸二酸二異辛酯。
【文檔編號】G01L11/06GK103512700SQ201210208915
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月19日 優(yōu)先權日:2012年6月19日
【發(fā)明者】李燕華, 楊遠超, 王金庫 申請人:中國計量科學研究院