確保操作人員安全是高壓測量非常重要的一環(huán),所以在執(zhí)行高壓校準時,既要保證測量品質(zhì)也要保障操作人員的安全。那多大的壓力才算是高壓呢?其實高壓是相對的,就比如某個壓力,在這個應(yīng)用上是高壓,但在其他應(yīng)用上就是正常的壓力范圍。在本文中,我們將20MPa以上的壓力定義為高壓。
要了解高壓校準的復(fù)雜性,首先需要了解涉及到的物理現(xiàn)象和系統(tǒng)工作方式。理想氣體定律雖然也存在一定的局限性,但許多氣體在不同工況條件下的行為可以用它來解釋。理想氣體定律描述了影響封閉系統(tǒng)中壓力的變量,具體來說:
PV=nRT
其中P為壓力,V為體積,n為氣體物質(zhì)的量,R為摩爾氣體常數(shù),T為溫度
從氣體理想定律中可知壓力與體積、氣體物質(zhì)的量和溫度有關(guān),壓力與體積成反比關(guān)系,壓力與物質(zhì)的量和溫度成正比關(guān)系。從以上關(guān)系中可以發(fā)現(xiàn),要改變系統(tǒng)中壓力,可以從三個方面考慮:
改變體積:壓力比較儀或者活塞;
改變系統(tǒng)中物質(zhì)的量:這就是大多數(shù)氣體壓力控制器的工作方式,額外的氣體進入或者派駐系統(tǒng),以增加或降低壓力;
改變溫度:這是一種很少使用的方法,但可用于將壓力穩(wěn)定在給定的設(shè)定點。
理想氣體定律也可用于理解壓力不穩(wěn)定。壓力變化與三個變量中的一個或多個保持一致:體積變化(壓力管線的膨脹或收縮);物質(zhì)的量的變化(泄露);溫度變化(當流體溫度冷卻時,壓力隨之降低)。
粘度是流體抵抗運動或流動的特性,從理論上講,測量靜壓時,介質(zhì)應(yīng)為靜態(tài)介質(zhì),粘度不產(chǎn)生顯著影響。在高壓下工作時,如果使用粘性介質(zhì)(如某些機油),可能會導(dǎo)致壓力穩(wěn)定時間過長。當在不同溫度下進行試驗時,這一點尤為重要,因為介質(zhì)粘度隨溫度變化而變化。
壓縮性是流體的特性,它決定施加壓力時其體積將發(fā)生多大的變化。由理想氣體定律可知系統(tǒng)壓力和體積高度相關(guān),壓力隨體積變化而變化的程度由流體的可壓縮性定義。氣體是可壓縮的,如果系統(tǒng)的體積發(fā)生變化,壓力不會隨之發(fā)生顯著變化;液體是不可壓縮的,減小系統(tǒng)體積將顯著增加壓力。這就是為什么液體比氣體更容易產(chǎn)生高壓。
在壓力標定校準時應(yīng)使用什么介質(zhì)?對于較低壓力,尤其是低于7MPa壓力,氣體介質(zhì)是最常見的,壓力相對容易產(chǎn)生,氣體清潔,消除了較大的壓頭壓力誤差;對于100MPa以上的壓力,使用氣體介質(zhì)的設(shè)備選擇很少,產(chǎn)生壓力變得困難,應(yīng)使用液體介質(zhì);在兩者之間的壓力怎么選擇呢?在校準實驗室應(yīng)用中,氣體介質(zhì)通常壓力高達(或高于)14MPa的情況下使用,其中氮氣瓶隨時可用,近年來,隨著高壓氣瓶或增壓至更高氣體壓力的方法變得可用,氣體和液體介質(zhì)選擇之間的斷點持續(xù)上升。使用氣體代替液體的優(yōu)點包括減少污染被測設(shè)備(DUT)的機會、由于粘度較低穩(wěn)定性時間延長、減少壓頭壓力誤差;但氣體也由自己的缺點,因為高壓氣體具有更多的壓縮能量,一旦發(fā)生過壓時間,則非常危險。
要正確測量壓力,壓力需足夠穩(wěn)定。但是在高壓情況下,這會比較難,因為體積變化(壓力管道的膨脹和收縮)、泄露和溫度影響,壓力將不穩(wěn)定。其中最大的挑戰(zhàn)是溫度效應(yīng),隨著系統(tǒng)中壓力的增加,流體的溫度也隨之升高,當壓力不再升高,溫度將降低直至到達平衡,隨著溫度的降低壓力也隨之降低,即使不存在泄露,壓力下降看起來也可能是泄露。泄露導(dǎo)致的壓力降低將繼續(xù)降低,而不會減慢,如果有足夠的時間穩(wěn)定下來,由溫度引起的壓力下降最終會得到解決。如何克服溫度效應(yīng)呢?
使用活塞式壓力計,浮動活塞起到天然調(diào)節(jié)器的作用,以保持穩(wěn)定的壓力,隨著溫度降低,活塞下沉,而從改變系統(tǒng)的體積,只要活塞浮起并轉(zhuǎn)動起來,系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),壓力保持穩(wěn)定;
使用壓力控制器,自動壓力控制器主動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中物質(zhì)的量或者改變系統(tǒng)中的題解來抵消溫度效應(yīng);
使用壓力比較器或類似于手動裝置,這設(shè)備溫度效應(yīng)最明顯,因為沒有什么可以抵消它們。對于不存在滯后問題的應(yīng)用,增加壓力超過設(shè)定值,然后降低壓力,這將平衡溫度影響,使設(shè)備更快穩(wěn)定,如果這不可行,那么可能需要延長穩(wěn)定時間。
此外,在執(zhí)行高壓校準時首先需要考慮的時安全性,包括:
適當?shù)膫人防護用品(PPE),如使用安全眼鏡;
選擇合適設(shè)備,所有壓力設(shè)備(包括配件、管道、閥門和儀表)的最大額定工作壓力滿足要求;
操作人員培訓,操作人員需要接受設(shè)備安全操作方面的培訓,尤其是手動操作的設(shè)備;
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