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基于准动态校准的测压铜柱温度修正方法研究
发布时间：2017-11-22
以塑性变形原理工作的测压铜柱具有价格低、使用方便、一致性好等优点,至今仍被世界各国广泛采用。塑性测压的敏感元件―――铜柱的固体力学特性和温度有关,其瞬时应力随温度升高而降低[1]。温度高,材料变软,在受同一压力作用下产生的塑性变形将偏大;反之则偏小。如果测压时的环境温度和组织标定时的环境温度不一样,就会引入系统误差,据笔者多年的实践经验表明,在不同的环境温度下可能引起的压力测定误差每摄氏度(℃)为0.1 %~0.2 %,显然当环境温度变化较大时,必须对铜柱测压法的常温查表压力进行温度修正。本文利用落锤液压动标装置设计了保温装置及温控系统,进行了不同的温度环境下的铜柱准动态实验,利用回归技术,获得了铜柱的温度修正公式。
1测压铜柱准动态校准
静标铜柱用于动态压力测量存在着“静动差”,为提高铜柱测压精度,世界各国广泛采用准动态校准[2]。即用经过标定的标准电测压力系统和铜柱测压系统同时承受类似于膛压波形的瞬态压力脉冲,用压电测压系统测得的压力峰值对铜柱的变形量进行比对标定,以获取铜柱变形量与电测压力峰值之间的函数关系。目前国内外准动态校准均在落锤液压动标装置上进行,该装置产生的压力信号类似于半正弦波。在该装置的压力发生器之油缸四周安装4只标准电测压力传感器及4只铜柱测压器,可同时测出4只压力传感器的压力峰值及相应铜柱的变形量。为探讨铜柱测压的温度影响,在压力发生器之油缸四周加装了保温箱,以形成恒温环境,同时保温箱内的温度在温控设备的控制下可模拟高温环境及低温环境,温控精度为±1℃[3]。在铜柱的测压量程中均匀地设定若干个压力点,分别在+50℃的高温环境、22℃的常温及-20℃的低温环境下对铜柱进行准动态校准。根据校准数据对,运用回归技术,可得到3种不同工作温度下的铜柱变形量y对应压力p的回归方程。该方程即是不同温度下压力与变形量的编表依据。
2变温度的铜柱准动态校准实验
利用南京理工大学研制开发的DP-1 GPa动标设备,对国产2001-02批次的��3・5 mm×8・75 mm铜柱进行了常温(22℃)、高温(50℃)、低温(-20℃)3种环境温度的准动态标定实验。该批次铜柱的预压量为215.7 MPa。根据标定得到的压力和铜柱变形量数据对,运用多项式回归技术,得到3种不同工作温度下的铜柱变形量y对压力p的回归方程。如图1所示,回归方程具有二次多项式的形式,即
(1)
回归结果如表1所列。表中,R表示相关系数,σs表示剩余标准偏差。
3温度修正公式建立及应用
由图1可见,测压铜柱在不同环境温度下工作,同一变形量对应的压力是不同的,因此,当测压的环境温度与标定温度不同时,查表压力必然引起因温度变化而产生的系统误差。图2给出了对应不同变形量时50℃(高温)、-20℃(低温)环境查表误差e的变化规律。
根据常温回归方程,可以查得常温环境下不同pni对应的铜柱变形量yni,将yni分别代入50℃及-20℃的动标回归方程进行迭代计算,可获得对应于变形量yni的高温、低温查表压力phi、pdi。由此可获得铜柱工作在50℃(高温)、-20℃(低温)环境下的压力与查常温表压力的绝对误差,记为Δphi、Δpdi,其变化的规律如图3所示。
本文在270~650 MPa内等间隔取11个压力点,获得11组(Δpt,θ)的关系数据,其中,Δpt为3种情形:对应于50℃时为Δphi;-20℃时为Δpdi;常温时为0。图4是当常温压力为384 MPa、574 MPa时,高温、低温压力差与温度的变化关系。根据文献[1]有关实验表明,材料应变与温度变化关系可用对数衰减规律描述。为描述在特定的常温θn压力下高温、低温压力差与温度的关系,本文采用Δpi= ai+ bilnT,式中,T =273・15+θ,运用回归技术[4],可求得对应于pni的回归系数ai、bi。由于温度变化引起的压力差之增量与温度变化量之比率为即为压力增量修正系数Kpi,不难求得而Kpi主要由bi决定,从分析结果看,bi随pni变化而变化,运用回归技术可求得bi随pni的变化关系,如图5所示。
运用指数形式进行回归分析,可得到b=-0・002 372p1・806 1n,根据以上分析可得到测压铜柱的温度修正公式为
（2）
用铜柱测压时,从铜柱测压器中取出压扁的铜柱,测出铜柱压后高,计算出铜柱的变形量,从该批次的铜柱动态压力对照表中查出相应的铜柱压力pn,将测压时的温度θ代入(2)式,则可求得温度θ对应的铜柱压力。也可按(2)式编出二元(pn,θ)的压力修正量表,此时,不需要临时用(2)式计算Δp修正量,可直接从压力修正量表中查出Δp,计算出pc,使用更加方便。表2、表3中分别列出了环境温度50℃、-20℃时动标铜柱实际电测压力与查表压力及修正后的压力值。
表中,y表示铜柱变形量;pe为电测实际压力峰值;pn为常温压力对照表的铜球压力;pc为用(2)式进行温度修正后的压力。根据测压铜柱的动态压力对照表的查表精度要求,由表2、表3可见,上述温度修正公式的修正效果良好。
综上所述,本文提出的铜柱压力温度修正方法可用计算法或查表法得出随温度变化的压力修正值,直接对铜柱压力进行修正,该方法符合我国铜柱测压法中温度修正的传统做法,且直接给出的压力修正量能得到修正程度的定量概念,该方法较传统的静态温度修正系数法合理,修正精度高。
摘自：中国计量测控网
