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基于準動態校準的測壓銅柱溫度修正方法研究
發布時間：2017-11-22
以塑性變形原理工作的測壓銅柱具有價格低、使用方便、一致性好等優點,至今仍被世界各國廣泛采用。塑性測壓的敏感元件―――銅柱的固體力學特性和溫度有關,其瞬時應力隨溫度升高而降低[1]。溫度高,材料變軟,在受同一壓力作用下產生的塑性變形將偏大;反之則偏小。如果測壓時的環境溫度和組織標定時的環境溫度不一樣,就會引入系統誤差,據筆者多年的實踐經驗表明,在不同的環境溫度下可能引起的壓力測定誤差每攝氏度(℃)為0.1 %~0.2 %,顯然當環境溫度變化較大時,必須對銅柱測壓法的常溫查表壓力進行溫度修正。本文利用落錘液壓動標裝置設計了保溫裝置及溫控系統,進行了不同的溫度環境下的銅柱準動態實驗,利用回歸技術,獲得了銅柱的溫度修正公式。
1測壓銅柱準動態校準
靜標銅柱用于動態壓力測量存在著“靜動差”,為提高銅柱測壓精度,世界各國廣泛采用準動態校準[2]。即用經過標定的標準電測壓力系統和銅柱測壓系統同時承受類似于膛壓波形的瞬態壓力脈沖,用壓電測壓系統測得的壓力峰值對銅柱的變形量進行比對標定,以獲取銅柱變形量與電測壓力峰值之間的函數關系。目前國內外準動態校準均在落錘液壓動標裝置上進行,該裝置產生的壓力信號類似于半正弦波。在該裝置的壓力發生器之油缸四周安裝4只標準電測壓力傳感器及4只銅柱測壓器,可同時測出4只壓力傳感器的壓力峰值及相應銅柱的變形量。為探討銅柱測壓的溫度影響,在壓力發生器之油缸四周加裝了保溫箱,以形成恒溫環境,同時保溫箱內的溫度在溫控設備的控制下可模擬高溫環境及低溫環境,溫控精度為±1℃[3]。在銅柱的測壓量程中均勻地設定若干個壓力點,分別在+50℃的高溫環境、22℃的常溫及-20℃的低溫環境下對銅柱進行準動態校準。根據校準數據對,運用回歸技術,可得到3種不同工作溫度下的銅柱變形量y對應壓力p的回歸方程。該方程即是不同溫度下壓力與變形量的編表依據。
2變溫度的銅柱準動態校準實驗
利用南京理工大學研制開發的DP-1 GPa動標設備,對國產2001-02批次的??3?5 mm×8?75 mm銅柱進行了常溫(22℃)、高溫(50℃)、低溫(-20℃)3種環境溫度的準動態標定實驗。該批次銅柱的預壓量為215.7 MPa。根據標定得到的壓力和銅柱變形量數據對,運用多項式回歸技術,得到3種不同工作溫度下的銅柱變形量y對壓力p的回歸方程。如圖1所示,回歸方程具有二次多項式的形式,即
(1)
回歸結果如表1所列。表中,R表示相關系數,σs表示剩余標準偏差。
3溫度修正公式建立及應用
由圖1可見,測壓銅柱在不同環境溫度下工作,同一變形量對應的壓力是不同的,因此,當測壓的環境溫度與標定溫度不同時,查表壓力必然引起因溫度變化而產生的系統誤差。圖2給出了對應不同變形量時50℃(高溫)、-20℃(低溫)環境查表誤差e的變化規律。
根據常溫回歸方程,可以查得常溫環境下不同pni對應的銅柱變形量yni,將yni分別代入50℃及-20℃的動標回歸方程進行迭代計算,可獲得對應于變形量yni的高溫、低溫查表壓力phi、pdi。由此可獲得銅柱工作在50℃(高溫)、-20℃(低溫)環境下的壓力與查常溫表壓力的絕對誤差,記為Δphi、Δpdi,其變化的規律如圖3所示。
本文在270~650 MPa內等間隔取11個壓力點,獲得11組(Δpt,θ)的關系數據,其中,Δpt為3種情形:對應于50℃時為Δphi;-20℃時為Δpdi;常溫時為0。圖4是當常溫壓力為384 MPa、574 MPa時,高溫、低溫壓力差與溫度的變化關系。根據文獻[1]有關實驗表明,材料應變與溫度變化關系可用對數衰減規律描述。為描述在特定的常溫θn壓力下高溫、低溫壓力差與溫度的關系,本文采用Δpi= ai+ bilnT,式中,T =273?15+θ,運用回歸技術[4],可求得對應于pni的回歸系數ai、bi。由于溫度變化引起的壓力差之增量與溫度變化量之比率為即為壓力增量修正系數Kpi,不難求得而Kpi主要由bi決定,從分析結果看,bi隨pni變化而變化,運用回歸技術可求得bi隨pni的變化關系,如圖5所示。
運用指數形式進行回歸分析,可得到b=-0?002 372p1?806 1n,根據以上分析可得到測壓銅柱的溫度修正公式為
（2）
用銅柱測壓時,從銅柱測壓器中取出壓扁的銅柱,測出銅柱壓后高,計算出銅柱的變形量,從該批次的銅柱動態壓力對照表中查出相應的銅柱壓力pn,將測壓時的溫度θ代入(2)式,則可求得溫度θ對應的銅柱壓力。也可按(2)式編出二元(pn,θ)的壓力修正量表,此時,不需要臨時用(2)式計算Δp修正量,可直接從壓力修正量表中查出Δp,計算出pc,使用更加方便。表2、表3中分別列出了環境溫度50℃、-20℃時動標銅柱實際電測壓力與查表壓力及修正后的壓力值。
表中,y表示銅柱變形量;pe為電測實際壓力峰值;pn為常溫壓力對照表的銅球壓力;pc為用(2)式進行溫度修正后的壓力。根據測壓銅柱的動態壓力對照表的查表精度要求,由表2、表3可見,上述溫度修正公式的修正效果良好。
綜上所述,本文提出的銅柱壓力溫度修正方法可用計算法或查表法得出隨溫度變化的壓力修正值,直接對銅柱壓力進行修正,該方法符合我國銅柱測壓法中溫度修正的傳統做法,且直接給出的壓力修正量能得到修正程度的定量概念,該方法較傳統的靜態溫度修正系數法合理,修正精度高。
摘自：中國計量測控網
