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压力计量前沿科学技术. 一、引言 二、国内外压力基、标准状况 三、数字压力计的发展 四、压力自动控制及加载系统 五、光纤压力传感器 六、压力测量物联网的应用 七、动态压力校准测试技术的发展 八、现场校准技术的发展动向 九、压力仪器设备介绍. 一、引言. 压力计量测试无论在生产过程还是科学研究中都是应用最广泛的测量参数之一，随着现代科学技术的发展，压力计量测试技术同样获得飞速发展。不仅静态压力计量测试技术发展很快，而且动态压力校准测试技术和现场压力校准技术已成为当前压力计量测试技术发展的新方向。新型的数字压力设备也在不断层出更新。. 二、国内外压力基、标准状况.
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一、引言 • 二、国内外压力基、标准状况 • 三、数字压力计的发展 • 四、压力自动控制及加载系统 • 五、光纤压力传感器 • 六、压力测量物联网的应用 • 七、动态压力校准测试技术的发展 • 八、现场校准技术的发展动向 • 九、压力仪器设备介绍
一、引言 • 压力计量测试无论在生产过程还是科学研究中都是应用最广泛的测量参数之一，随着现代科学技术的发展，压力计量测试技术同样获得飞速发展。不仅静态压力计量测试技术发展很快，而且动态压力校准测试技术和现场压力校准技术已成为当前压力计量测试技术发展的新方向。新型的数字压力设备也在不断层出更新。
二、国内外压力基、标准状况 • 国外 • 美国国家标准与技术研究院 National Institute of Standards and Technology—NIST（NIST) • 英国国家物理实验室National Physical Laboratory—NPL • 德国物理技术研究院 Physikalisch-Technische Bundesanstalt--PTB
美国压力计量现状——美国标准技术研究院（NIST）美国压力计量现状——美国标准技术研究院（NIST） • 1、工作环境 • 2个园区——2900名正式雇员（美国国籍） • 2600名合同制雇员（绿卡或合同研究） • 2、压力真空测量范围 • 活塞压力计 10-7~108 Pa • （分气体活塞和液体活塞） • 液体压力计 • 油导装置（真空）
3、实验室分类 • 液体压力计实验室 • 活塞压力计实验室 （上限280MPa） • 真空实验室 （10-7 Pa ~） • 4、标准组成 • 液体压力计：140Pa oil UIM 超声干涉液体压力计 (超声晶振) • 13kPa Hg UIM • 160 kPa Hg UIM • 360 kPa Hg UIM 5ppm
活塞—气体活塞 溯源至液体压力计和长度 • （PTB活塞尺寸测量是最好） • 1MPa~17MPa • ~100MPa • 油活塞：1~28MPa 18ppm • 14~140MPa 22ppm • 14~280MPa 44ppm • 35~280MPa 32ppm
真空：10-7~0.1Pa • （原理：已知流量的气体） • 需要烘烤——检电离真空计 • 不需要烘烤——油导装置 • 漏孔比较仪：10-13~106 mol/s • 5、主要研究项目 • 开展气体对油密度的影响的研究 • 高稳定性传递标准的研究
280MPa可控间隙活塞压力计性能的研究 • 有限元分析在活塞压力计上的应用 • 毛细管流量计的研究 • 无油流量计的研究 • 膨胀装置的研究 • 关键比对
美国国家标准与技术研究院 National Institute of Standards and Technology--NIST
英国国家物理实验室National Physical Laboratory—NPL 德国物理技术研究院 Physikalisch-Technische Bundesanstalt--PTB
多少年来，国际上压力计最高精度的宝座一直为以汞作介质的基准液体压力计所占有（3～6ppm），基准活塞压力计的准确度很长时间保存在20ppm左右。80年代初美国DH Instruments，Inc 采用碳化物材料制作直径为35mm的大直径活塞压力计，并通过几何尺寸测量直接向基本量溯源等一系列研究工作，大大减小了该活塞系统有效面积的不确定度。 1986年法国LNE国家实验室首先采用它作为法国在10～400kPa压力范围的国家基准。此前，人们一直采用液体压力作为低压段0～120kPa的基准，LNE的工作第一次证明活塞压力计作为定义低压的基准是完全可以和汞柱基准液体压力计相比的。
在1992年初DH公司和美国NIST的压力室、长度室合作采用陶瓷材料和可控间隙结构研制成测压范围为2.5～175kPa，直径达标50mm的新型活塞压力基准。研究表明，借助于活塞系统的新的加工方法、新材料和新技术已经使50mm直径的活寒系统在几何尺寸质量和内在性能上优于35mm的活塞系统。NIST通过直接几何尺寸测量得到的不确定度大大低于35mm的活塞系统，其估计不确定度为5ppm。这种新活塞压力计的性能不仅大大提高，而且具有非常好的长期稳定性。自此以后，这种高精度、高稳定性的大直径活塞压力计先后被主要工业化国家的国家实验室采用作他们的压力基准。在1992年初DH公司和美国NIST的压力室、长度室合作采用陶瓷材料和可控间隙结构研制成测压范围为2.5～175kPa，直径达标50mm的新型活塞压力基准。研究表明，借助于活塞系统的新的加工方法、新材料和新技术已经使50mm直径的活寒系统在几何尺寸质量和内在性能上优于35mm的活塞系统。NIST通过直接几何尺寸测量得到的不确定度大大低于35mm的活塞系统，其估计不确定度为5ppm。这种新活塞压力计的性能不仅大大提高，而且具有非常好的长期稳定性。自此以后，这种高精度、高稳定性的大直径活塞压力计先后被主要工业化国家的国家实验室采用作他们的压力基准。
新型的DPG系列数字式活塞压力计 • DPG系列数字式活塞压力计把活塞压力计的优越计量性能和数字压力计的使用灵活方便有机地结合了起来，向世界展示了一种全新的压力标准。数字活塞以其极高的精度、优良的长期稳定性、测压迅速、使用方便，广泛使用在标准实验室、仪器仪表研发机构、压力仪器生产厂，用于校准压力控制器、数字压力计、压力变送器、气压计、大气数据计算机等。 • 工作原理：DPG系列数字式活塞不同的是它不是用砝码测量活塞另一端所加的压力，而是用精密电子天平测量，DPG内的标准砝码自动校准精密电子
平。其测压步骤如下： • 1、压力经活塞转化为力，作用在精密电子天上。 • 2、精密电子天平测得力值。 • 3、微型计算机根据压力计算公式算出压力值，送显示器显示，同时送接口供计算机读取。 • 组成：测量头、精密电子天平、内部标准砝码、微计算机系统 • DPG系列数字式活塞的测压原理是最基本的物理学压力定义公式。是压力计量领域的一项技术革新，它结合了活塞压力计的高精度、高可靠和数字压力计的灵活方便。
三、数字压力计的发展 • 对于数字压力计，近两年出现了许多高精度压力控制器，也就是自动稳压机，其工作原理都是采用高精度压力传感器测量所搭建系统的当前压力，在获取当前压力的基础上使用微电脑操纵控制系统实现压力控制。当前市场上出现的全自动压力控制器都是采用这个原理，不同在于具体实现的手段。应用于较大压力量程的全自动压力控制器一般都有压力输入口，需要一个较大的压力源，控制器的工作是操纵进气阀和出气阀，通过快速的动作来保持搭建压力系统内的压力保持在需要的值。
控制量程低于1MPa的全自动压力控制器不需要外接压力源，通过微电脑控制步进电机调整加压系统的状态来实现压力控制。特别在低于5kPa的压力量程下，压力控制系统和测量系统是一个封闭的环，采用完全密封来避免外界压力变化影响到测量系统，这类控制器的控压部分是一个活塞，活塞筒本身是测量系统的一部分，活塞在活塞筒中移动使得两侧输出压差。控制量程低于1MPa的全自动压力控制器不需要外接压力源，通过微电脑控制步进电机调整加压系统的状态来实现压力控制。特别在低于5kPa的压力量程下，压力控制系统和测量系统是一个封闭的环，采用完全密封来避免外界压力变化影响到测量系统，这类控制器的控压部分是一个活塞，活塞筒本身是测量系统的一部分，活塞在活塞筒中移动使得两侧输出压差。
微电子、微处理技术和新型传感器技术的发展推动了智能化、数字化、高精度、高稳定度数字压力传感器和数字压力计的发展。这方面具有代表性的是80年代初美国Honeywell公司最早采用微电子、微处理技术在同一芯片上制作压敏、温敏即双敏传感器，并在-40℃～80℃温度范围内进行温度和压力补偿，研制成具有双向通讯功能和数字、模拟量输出的智能压力传感器和ST3000压力变送器，其传感器精度达0.05%，稳定性好，为0.025%/年。微电子、微处理技术和新型传感器技术的发展推动了智能化、数字化、高精度、高稳定度数字压力传感器和数字压力计的发展。这方面具有代表性的是80年代初美国Honeywell公司最早采用微电子、微处理技术在同一芯片上制作压敏、温敏即双敏传感器，并在-40℃～80℃温度范围内进行温度和压力补偿，研制成具有双向通讯功能和数字、模拟量输出的智能压力传感器和ST3000压力变送器，其传感器精度达0.05%，稳定性好，为0.025%/年。
智能化、数字化和控制技术的发展，特别是智能化数字压力传感器的问世，促进了数字压力计的新发展，在国内外市场上先后出现了各种高精度的手动或自动控制的数字压力计，其中稳定性、可靠性好的数字式压力计不仅可用于高精度压力测量，还可以用作压力计量测试标准。派若斯（Paroscientific）公司的740和760系列数字式石英压力计，由于其精度、稳定性、可靠性等性能突出，在国际上被用作压力传递标准，DH公司采用数字式石英压力传感器研制生产多量程（三量程或六量程）的手动或自动数字式压力计。上述数字式压力的精度为0.01%，它包括非线性、迟滞、重复性误差，稳定性、温度影响和检定所用标准的误差等，其稳定性优于0.01%/年。智能化、数字化和控制技术的发展，特别是智能化数字压力传感器的问世，促进了数字压力计的新发展，在国内外市场上先后出现了各种高精度的手动或自动控制的数字压力计，其中稳定性、可靠性好的数字式压力计不仅可用于高精度压力测量，还可以用作压力计量测试标准。派若斯（Paroscientific）公司的740和760系列数字式石英压力计，由于其精度、稳定性、可靠性等性能突出，在国际上被用作压力传递标准，DH公司采用数字式石英压力传感器研制生产多量程（三量程或六量程）的手动或自动数字式压力计。上述数字式压力的精度为0.01%，它包括非线性、迟滞、重复性误差，稳定性、温度影响和检定所用标准的误差等，其稳定性优于0.01%/年。
四、压力自动控制及加载系统 • 压力控制机 • 传统的压力计量设备例如活塞式压力计，压力泵等都需要手工加压。一般来说在中高压力计量中常使用活塞压力计，在微压计量中常使用类似波纹管的手动加压泵；对于活塞而言，手工加压需要搬动砝码，尤其是在搬动高压活塞压力计砝码是一项十分繁重的体力劳动；在微小压力测量时，靠手动调压又难以保持稳定压力。随着电脑技术和电子控制技术进步，出现了自动加压系统，在大大降低工作强度，增加工作效率的同时，更提供良好的压力稳定性。
砝码自动加载系统 以DH公司的气体活塞APX50为例。该装置如图
一个高分辨率的砝码自动加载系统常常有多个砝码托盘，一个用于放置主体砝码的主托盘，一个高分辨率的砝码自动加载系统常常有多个砝码托盘，一个用于放置主体砝码的主托盘， 一个用于放置分析砝码的中型托盘， 一个独立于以上两个砝码托盘的连接托盘用于连接活塞挂钩和中型砝码托盘（图）。
该套装置的砝码加载系统最小分辨率可到一克，有三套砝码分别称为分析砝码，该套装置的砝码加载系统最小分辨率可到一克，有三套砝码分别称为分析砝码， 分割砝码和主砝码，分割砝码和主砝码为上图的下面和中间部分， 分析砝码放置在系统顶部的一个托盘上，如图
分割砝码和主砝码的加载方式类似，在分割砝码外沿有三根金属杆，金属杆以120度取得最好的稳定性，每一个金属杆上有5个圆柱体对应5个砝码，这些金属杆可以旋转为5个不同的角度，当需要加载的砝码选定后，金属杆旋转到一个角度，选择需要的砝码，没有被选取的砝码则留在活塞托盘上作用于活塞，产生固定压力。主砝码加载采用同样的原理。整个砝码加载过程大概在30秒到60秒之间。所有的电系统，包括驱动电机，电磁铁等均是在活塞没有处于测量状态时工作，不会对测量引入误差。分割砝码和主砝码的加载方式类似，在分割砝码外沿有三根金属杆，金属杆以120度取得最好的稳定性，每一个金属杆上有5个圆柱体对应5个砝码，这些金属杆可以旋转为5个不同的角度，当需要加载的砝码选定后，金属杆旋转到一个角度，选择需要的砝码，没有被选取的砝码则留在活塞托盘上作用于活塞，产生固定压力。主砝码加载采用同样的原理。整个砝码加载过程大概在30秒到60秒之间。所有的电系统，包括驱动电机，电磁铁等均是在活塞没有处于测量状态时工作，不会对测量引入误差。 • 该系统为砝码自动加载系统的典型应用，其他公司推出的加载系统主要机理与这套系统类似，不同的在于有更多的自动化选项和扩展选项。
五、光纤压力传感器 • 作为传感单元，光纤光栅的主要优势是检测信息为波长编码，非高温高压情况线性响应，以及质轻、径细、柔韧、化学性能稳定、耐高温、抗电磁干扰等优势，近年来光纤传感器应用取得了一系列重要进展。与其他测量方法相比，光纤传感器能以更高的灵敏度检测多种物理和化学被测对象，在它们可能的集合形状方面是通用的，不受恶劣环境（如强磁场、高温或腐蚀性媒质）的影响，并且在易爆炸环境中本质上是安全的且适合分布式检测。
光纤压力传感器的重要传感元件是法布利-比洛特(FP)型光学干涉仪（图）。光纤压力传感器的重要传感元件是法布利-比洛特(FP)型光学干涉仪（图）。
光纤FP干涉仪主要结构就是在光纤内的传感区域制造出的PF腔，低相干光源发出低相干光光纤FP干涉仪主要结构就是在光纤内的传感区域制造出的PF腔，低相干光源发出低相干光 经过光隔离器后耦合入光纤后到达传感部分， 在腔内多次反射后形成干涉光， PF腔的两面镜子分别是位于一端的薄膜内表面和位于另一端的光纤尖端。 所施加的压力P引起了薄膜的偏移， 而此偏移又直接转换成了FP干涉仪空腔长度的变化，从而改变了输出光的相位及强度， 当入射光为长相干光时利用通过测量在某个特定波长的光强变化量就可以解调， 而当入射光为低相干光， 则利用测量干涉谱上条纹间距的变化量来推算出相应的外部干扰量。解调的方法很多， 例如用光谱仪、单色仪、匹配干涉仪等。 为得到薄膜偏移和所施加的压力间的线性关系，传感器的形状和材料都经严格选择。 通常情况下为了消除温度的影响可以利用FPI+FPI型来消除温度的影响（图）。
光纤传感器通常使用的调制方法为强制调制法和相位调制法。强度调制法是最早使用的方法，其原理如图：光纤传感器通常使用的调制方法为强制调制法和相位调制法。强度调制法是最早使用的方法，其原理如图：
对于通常的光纤FP干涉仪，其输出光强为一余弦曲线，当外部信号变化时，FP腔内介质折射率和FP腔长也会随之变化，从而改变光强，通过测量光强变化即可得到外部模拟信号变化的大小。由于输出光强实际上是非线性的，因此同许多传统传感器一样，需使光强落在斜率最大的一点，即常说的工作区。为达到这个目的，需要控制初始FP腔长。相位法是为了克服强度调制法德缺点而发展出的调制方法，它与强度调制法的区别在于相位调制法采用宽谱光源，接收采用光谱分析仪来分析输出光谱的变化。不同的FP腔长对应不同的输出峰值频率间距，可求出相应的应变，由于测量与光强无关，因此不需要光隔离器和稳定光源，有利于长期测量。对于通常的光纤FP干涉仪，其输出光强为一余弦曲线，当外部信号变化时，FP腔内介质折射率和FP腔长也会随之变化，从而改变光强，通过测量光强变化即可得到外部模拟信号变化的大小。由于输出光强实际上是非线性的，因此同许多传统传感器一样，需使光强落在斜率最大的一点，即常说的工作区。为达到这个目的，需要控制初始FP腔长。相位法是为了克服强度调制法德缺点而发展出的调制方法，它与强度调制法的区别在于相位调制法采用宽谱光源，接收采用光谱分析仪来分析输出光谱的变化。不同的FP腔长对应不同的输出峰值频率间距，可求出相应的应变，由于测量与光强无关，因此不需要光隔离器和稳定光源，有利于长期测量。
六、压力测量物联网的应用 • 物联网（The Internet of things）的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的概念是在1999年提出的。物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。国务院总理温家宝3月5日在十一届全国人大三次会议上作政府工作报告时指出，大力培育战略性新兴产业。
积极推进 “三网”融合取得实质性进展，加快物联网的研发应用。虽然目前国内对物联网也还没有一个统一的标准定义，但从物联网本质上看，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。因为物联网技术的发展几乎涉及到了信息技术的方方面面，是一种聚合性、系统性的创新应用与发展，也因此才被称为是信息技术的第三次革命性创新。物联网的本质概括起来主要体现在三个方面：一是互联网特征，即对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联网络；二是识别与通信特征，即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别与物物通信（M2M）的功能；三是智能化特征，即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。其通用模型如图。
物联网技术在压力测试领域有着广泛的应用，通过利用射频识别技术物联网技术在压力测试领域有着广泛的应用，通过利用射频识别技术 可以通过无线网络获取 压力传感器测量信号并实时对生产过程进行控制， 传统的数字压力测试系统只能读取各测量点的压力值，并不能对其进行分析， 采得得数据需要通过管理人员分析后才能得出结论，作出相应的控制， 其数据也只能在一个较小的局域网内传输，如需要移动则要使用其他载体； 使用物联网则可以在得到数据的同时由计算机自动分析数据并做出控制指令， 这点有些类似前面讲到的自动控压机，且其数据时在一个开放的网络中传输， 可方便的取用。例如在石油天然气输送过程中，通过物联网应用可以同时 监控全管线输送压力变化情况，自动计算实时流量，通过压力变化情况 自动判断异常情况，例如过压，泄露等，并发送警报或自动控制输送量； 在医疗健康领域应用物联网监控人体压力变化，在人体血压异常时 向医生和家属发送警报，同时可传输血压数据。
七、动态压力校准测试技术的发展 • 动态测试是指被测参数随时间变化，变化方式有阶跃方式，也有各种脉动方式。例如：内燃机、柴油机和航空发动机的燃烧压力变化主要为脉动方式，爆炸和武器发射，其压力变化类似阶跃方式。为了保证各种动态压力测试数据的准确和统一，提出了动态校准的要求。美国和前苏联在动态校准测试技术方面做了大量的研究工作，特别在军事工业上发挥了重大作用。在我国，如果说80年代以前人们对动态测试尚不熟悉的话，80年代以来动态校准测试已引起科技界和工业部门的重视，特别是科研院所和高等学校为此做了大量的研究工作，并建立了包括激波管、快开阀和各种正弦压力发生器在内的一系列动态压力计量标准设备。
八、现场校准技术的发展动向 • 国内外早就有“现场校准”的做法，那时由于准确度低，在现场主要用于检查工作仪表是否正常，还不能用来校准工作特性，也没有用“现场校准”这种说法。 90年代以来，科学技术发展很快，智能化、数字化、计算机、通讯、控制技术都获得了迅速发展，无论是生产过程仪表，还是用于科研的实验台上的仪表、传感器的精度都有很大提高。在这种精况下，工作现场的环境条件与计量室的环境条件不一样，有的甚至相差很大，有的现场环境工作条件还相当恶劣，使得在计量室校准所得工作特性不能满足现场实际工作条件的需要，这一矛盾尖锐地摆在人们面前。如何解决这个矛盾呢？便提出了要在现场实际工作环境和工作条件下进行校准的需要。科研生产实践对现场校准的迫切需求，促进了国内外现场校准仪表的开发。
九、压力仪器设备介绍 • 国外进口 • 1、高压活塞式压力计 • 油介质： • 法国DH公司 • 量程（0.2~1000）MPa • 不确定度 0.035% • 美国DHI公司 • 量程（0.2~500）MPa • 最优不确定度 20ppm
美国RUSKA公司 • 量程（0.05~500）MPa • 不确定度 0.01% • 气介质： • 法国DH公司 • 量程（0.2~100）MPa • 不确定度 20ppm • 美国DHI公司 • 量程（0.005~11）MPa • 不确定度 20ppm
美国RUSKA公司 • 量程（0.014~7）MPa • 不确定度 20ppm • 2、微压活塞压力计 • 法国DH公司 • 量程 • 绝压：（0 5.2）kPa • 表压：（0 5.2）kPa
测量不确定度 • < 0.002Pa+0.004%读数 (0 1kPa) < 0.01Pa+0.004%读数 (2 5.2kPa) • 美国DHI公司 量程（0~15）kPa 不确定度 30ppm • 美国RUSKA公司 • 量程（0~7）kPa • 不确定度 10ppm
