压力标准源、压力标准源制备设备及压力校准方法

技术领域

本发明实施例涉及压力测量设备技术领域，尤其涉及一种压力标准源、压力标准源制备设备及压力校准方法。

背景技术

压力测量设备如压力表一般用于测量气体、液体、物体等的压力，随着时间推移、环境变化，压力测量设备的准确性会降低，因而，需要压力标准源来校准压力测量设备。

活塞式压力计是目前常用的压力标准源，但其需使用砝码，且较为笨重，便携性较差。

发明内容

本发明提供一种压力标准源、压力标准源制备设备及压力校准方法，用以解决常用的压力标准源其需使用砝码，较为笨重，便携性较差的问题。

第一方面，本发明提供一种压力标准源，包括：温控器和压力容器；

所述压力容器设于所述温控器内部；所述压力容器设有贯穿压力容器外表面至压力容器存储气体区域的气体通道以及控制气体通道通断的控制开关；所述气体通道从所述压力容器外表面延伸至所述温控器外表面的预设距离处；

所述压力容器内部装有压力标准气体；所述压力标准气体为对应临界温度以下的所有等温热物性曲线上都存在压力平台区域的气体；所述压力平台区域为等温热物性曲线上气体密度变化而对应气体压力不变的区域；所述压力标准气体的密度处于所述压力平台区域；

所述温控器用于控制所述压力容器的温度，以使所述压力标准气体的温度小于或等于所述临界温度。

可选的，如上所述的压力标准源，所述温控器还用于控制所述压力容器的温度，以使所述压力标准气体的温度处于对应气液相平衡状态时所属的温度区间范围。

可选的，如上所述的压力标准源，所述压力标准气体为二氧化碳或六氟化硫。

可选的，如上所述的压力标准源，若所述压力标准气体为二氧化碳，则所述温控器为水三相点容器；

若所述压力标准气体为六氟化硫，则所述温控器为水三相点容器或镓固定点容器。

可选的，如上所述的压力标准源，所述压力容器的外表面还设有观察窗；所述观察窗用于展示所述压力标准气体的状态。

第二方面，本发明提供一种压力标准源制备设备，所述压力标准源制备设备用于制备如第一方面任一项所述的压力标准源；所述压力标准源制备设备包括：气体密度调节装置、气体装载容器、真空制造装置；

所述气体密度调节装置、所述气体装载容器以及所述真空制造装置都与压力标准源的气体通道连接；

所述真空制造装置用于在制备压力标准源之前，使所述压力容器的气体存储空间处于真空状态；

所述气体密度调节装置用于调节压力容器中压力标准气体的密度，以使所述压力标准气体的密度处于对应等温热物性曲线上的压力平台区域；

所述气体装载容器用于给所述压力容器提供压力标准气体。

可选的，如上所述的压力标准源制备设备，所述气体密度调节装置为可调容积装置；

所述可调容积装置包括气体存储容器和可移动模块；

所述气体存储容器的上表面设有贯穿气体存储容器上表面至存储气体区域的气体通道以及下表面设有开口；所述气体存储容器的气体通道与所述压力容器的气体通道连接；

所述可移动模块可沿所述开口的内侧移动；所述可移动模块大小与所述开口大小相匹配；所述可移动模块的上表面和所述气体存储容器的气体通道之间的区域为存储气体区域；

所述可移动模块用于调节存储气体区域的体积。

可选的，如上所述的压力标准源制备设备，所述真空制造装置为真空泵；

所述真空泵与所述气体存储容器的气体通道连接；

所述真空泵与所述压力容器的气体通道连接；

所述真空泵用于在制备压力标准源之前，使所述气体存储容器的存储气体区域和所述压力容器的存储气体区域处于真空状态。

可选的，如上所述的压力标准源制备设备，还包括：第一阀门、第二阀门和第三阀门；

所述第一阀门设于所述气体存储容器的气体通道与所述压力容器的气体通道之间；

所述第二阀门设于所述真空泵与所述气体存储容器的气体通道之间；

所述第三阀门设于所述气体装载容器与所述气体存储容器的气体通道之间。

第三方面，本发明提供一种压力校准方法，所述方法用于采用如第一方面任一项所述的压力标准源提供的压力对待校验的压力测量设备进行校验，所述方法包括：

将所述压力标准源、待校准的压力测量设备以及真空制造装置通过气管建立连接；

采用真空制造装置使所述压力测量设备的气体通道以及所述气管处于真空状态；

采用压力标准源通过所述气管传输压力标准气体至所述压力测量设备，以根据所述压力标准源提供的压力对所述压力测量设备进行校准。

本发明实施例提供的一种压力标准源、压力标准源制备设备及压力校准方法，该压力标准源包括：温控器和压力容器；所述压力容器设于所述温控器内部；所述压力容器设有贯穿压力容器外表面至压力容器存储气体区域的气体通道以及控制气体通道通断的控制开关；所述气体通道从所述压力容器外表面延伸至所述温控器外表面的预设距离处；所述压力容器内部装有压力标准气体；所述压力标准气体为对应临界温度以下的所有等温热物性曲线上都存在压力平台区域的气体；所述压力平台区域为等温热物性曲线上气体密度变化而对应气体压力不变的区域；所述压力标准气体的密度处于所述压力平台区域；所述温控器用于控制所述压力容器的温度，以使所述压力标准气体的温度小于或等于所述临界温度。

本实施例的压力标准源装有压力标准气体，所述压力标准气体为对应临界温度以下的所有等温热物性曲线上都存在压力平台区域的气体，因而，压力标准源内的压力标准气体的密度处于压力平台区域且温度小于临界温度。此时，压力标准气体的压力是固定的，可以用于校准压力测量设备，同时，由于压力标准源较为轻便，便携性较高。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明第一实施例提供的压力标准源的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的二氧化碳的压力密度曲线示意图；

图3为本发明第一实施例提供的二氧化碳处于气液相平衡状态时的压力温度曲线示意图；

图4为本发明第一实施例提供的二氧化碳处于气液相平衡状态以及水三相点温度区域时的压力密度曲线示意图；

图5为本发明第一实施例提供的六氟化硫的压力密度曲线示意图；

图6为本发明第一实施例提供的六氟化硫处于气液相平衡状态时的压力温度曲线示意图；

图7为本发明第一实施例提供的六氟化硫处于气液相平衡状态以及水三相点温度区域时的压力密度曲线示意图；

图8为本发明第一实施例提供的六氟化硫处于气液相平衡状态以及镓固定点温度区域时的压力密度曲线示意图；

图9为本发明第二实施例提供的压力标准源制备设备的结构示意图一；

图10为本发明第二实施例提供的压力标准源制备设备的结构示意图二；

图11为本发明第三实施例提供的压力校准方法的流程示意图；

图12为本发明第三实施例提供的压力校准方法的设备连接示意图。

符号说明：

10、压力标准源；11、温控器；12、压力容器；13、气体通道；14、观察窗；15、第一阀门；20、压力标准源制备设备；21、气体密度调节装置；22、真空制造装置；23、气体装载容器；24、第三阀门；25、第二阀门；30、压力表。

通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和设备的例子。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。

为了清楚理解本申请的技术方案，首先对现有技术的方案进行详细介绍。压力测量设备常用于实验室、工程、教学等环境，可以用于测量气体、液体、物体等的压力，而随着时间以及环境变化，压力测量设备的测量准确性会降低。目前常用活塞式压力计作为压力标准源对压力测量设备进行校准，活塞式压力计的核心部件是活塞和活塞缸形成的活塞组件。在活塞上端加载砝码，对活塞下端的传压介质进行加压，将活塞和砝码向上顶起，从而在传压介质中产生标准压力，虽然活塞压力计是广泛使用的压力标准器，但它的结构较为复杂，而且比较庞大和笨重(需要加载砝码)，便携性较差。

所以针对现有技术中常用的压力标准源需使用砝码，较为笨重，便携性较差的问题，发明人在研究中发现，为了解决该问题，可以通过气体来充当压力标准。该气体需要满足压力保持恒定的条件，且体积不能太大。经过发明人的创新性研究，发现存在某些气体，当该气体在临界温度以下，其对应的等温热物性曲线存在压力平台，从而能满足压力保持恒定的条件，同时，体积几乎不影响该性质。因而，可以将该气体作为压力标准气体，生成基于压力标准气体的压力标准源。

具体的，该压力标准源包括：温控器和压力容器。压力容器设于温控器内部，压力容器设有贯穿压力容器外表面至压力容器存储气体区域的气体通道以及控制气体通道通断的控制开关。气体通道从压力容器外表面延伸至温控器外表面的预设距离处。压力容器内部装有压力标准气体。压力标准气体为对应临界温度以下的所有等温热物性曲线上都存在压力平台区域的气体。压力平台区域为等温热物性曲线上气体密度变化而对应气体压力不变的区域。压力标准气体的密度处于压力平台区域。温控器用于控制压力容器的温度，以使压力标准气体的温度小于或等于临界温度。

本实施例的压力标准源装有压力标准气体，压力标准气体为对应临界温度以下的所有等温热物性曲线上都存在压力平台区域的气体，因而，压力标准源内的压力标准气体的密度处于压力平台区域且温度小于临界温度。此时，压力标准气体的压力是固定的，可以用于校准压力测量设备，同时，由于压力标准源较为轻便，便携性较高。

发明人基于上述的创造性发现，提出了本申请的技术方案。

图1为本发明第一实施例提供的压力标准源的结构示意图，如图1所示，本实施例中，压力标准源10包括：温控器11和压力容器12。

压力容器12设于温控器11内部。压力容器12设有贯穿压力容器12外表面至压力容器12存储气体区域的气体通道13以及控制气体通道13通断的控制开关(图1中未示出)。气体通道13从压力容器12外表面延伸至温控器11外表面的预设距离处。

温控器11可以是仅能固定温度的控制器，比如水三相点容器，也可以是能调节温度范围，并固定在某个温度的控制器。控制开关可以采用阀门，从而简化压力标准源10的结构。

气体通道13可以是通过气管从存储气体区域延伸至温控器11外表面的预设距离处，预设距离可以按照实际需求进行设置，比如设置为3厘米、5厘米等。

压力容器12内部装有压力标准气体。压力标准气体为对应临界温度以下的所有等温热物性曲线上都存在压力平台区域的气体。压力平台区域为等温热物性曲线上气体密度变化而对应气体压力不变的区域。压力标准气体的密度处于压力平台区域。

如图2所示，图2为一种压力标准气体二氧化碳的各个等温热物性曲线示意图，即压力密度示意图，二氧化碳的临界温度为30.9782℃(温度单位：摄氏度)，从图中可看出，临界温度以下的各等温热物性曲线都具有压力平台区域(图中横向直线的区域)，该压力平台区域中压力并不随气体密度的变化发生变化。因而，当压力标准气体的密度处于压力平台区域，且温度小于临界温度，则可以维持固定压力不变。

温控器11用于控制压力容器12的温度，以使压力标准气体的温度小于或等于临界温度。

可选的，温控器11还用于控制压力容器12的温度，以使压力标准气体的温度处于对应气液相平衡状态时所属的温度区间范围。

由于压力标准气体处于气液相平衡状态时可以直接确定压力温度数据关系，不需要进一步测试，因而，通过使压力标准气体的温度处于对应气液相平衡状态时所属的温度区间范围，可以在压力标准气体密度发生变化后，快速调整压力标准气体的温度，使其维持在压力平台，且能快速确定其所对应的压力数值。

示例性的，压力标准气体的温度初始为A℃，密度为a，随着压力标准源的使用，内部压力标准气体的密度可能会降低，从密度a降低为b。此时，若b仍在A℃对应等温热物性曲线的压力平台上，则可以不用调整压力标准气体的温度。若b不在A℃对应等温热物性曲线的压力平台上，则需要调整压力标准气体的温度，比如从温度A℃降低至B℃，使压力标准气体的密度维持在等温热物性曲线的压力平台上。此时，由于压力标准气体处于气液相平衡状态，则可以从数据库或由人工根据压力标准气体的密度从等温热物性曲线上确定调整后的压力，以及从处于气液相平衡状态的压力温度曲线上，确定出B℃的具体数值，确定的效率较高。

可选的，压力标准气体为二氧化碳或六氟化硫。二氧化碳和六氟化硫在其临界温度下的各等温热物性曲线都具有压力平台区域，且较为稳定，危险性很低。因而，采用二氧化碳或六氟化硫作为压力标准气体可以提高压力标准源10的稳定性。

可选的，若压力标准气体为二氧化碳，则温控器11为水三相点容器。

若压力标准气体为六氟化硫，则温控器11为水三相点容器或镓固定点容器。

由于二氧化碳的临界温度为30.9782℃，高于水三相点的温度，温控器11可以采用水三相点容器，使温度维持在水三相点0.01℃，同时，准确性和稳定性更高。六氟化硫的临界温度为45.583℃，高于水三相点以及镓固定点，温控器11可以采用水三相点容器，使温度维持在水三相点0.01℃，或可以采用镓固定点容器，使温度维持在29.7646℃，同时，准确性和稳定性更高。其次，由于水三相点容器或镓固定点容器是常用的容器，可以降低温控器11的成本，同时增加温控器11的选择范围。

可选的，压力容器12的外表面还设有观察窗14。观察窗14用于展示压力标准气体的状态。用户可以从观察窗14外由内的观看压力标准气体的状态，观察是否处于气液相平衡状态、气体稳定性等。

为了进一步详细的说明本发明的压力标准源，下面将结合图2至图8进行进一步的说明。

图2-图4展示的内容为基于二氧化碳CO

根据CO

由图2可知，在临界温度以下，P-D曲线存在压力恒定的压力平台，但该压力平台与温度有关，例如0.01℃(水三相点)、10℃、20℃、30℃这些温度点对应的压力平台为3.486063MPa、4.502183MPa、5.729053MPa、7.213687MPa。因此，为了获得某一稳定的压力，还需对温度进行控制或测量。CO

图4是水三相点温度附近处于气液相平衡态的CO

图5-图8展示的内容为基于六氟化硫SF

类似于CO

SF

图7是水三相点温度附近处于气液相平衡态的SF

图8是镓固定点温度附近处于气液相平衡态的SF

本发明实施例提供的一种压力标准源，压力标准源10包括：温控器11和压力容器12。压力容器12设于温控器11内部。压力容器12设有贯穿压力容器12外表面至压力容器12存储气体区域的气体通道13以及控制气体通道13通断的控制开关。气体通道13从压力容器12外表面延伸至温控器11外表面的预设距离处。压力容器12内部装有压力标准气体。压力标准气体为对应临界温度以下的所有等温热物性曲线上都存在压力平台区域的气体。压力平台区域为等温热物性曲线上气体密度变化而对应气体压力不变的区域。压力标准气体的密度处于压力平台区域。温控器11用于控制压力容器12的温度，以使压力标准气体的温度小于或等于临界温度。

本实施例的压力标准源10装有压力标准气体，压力标准气体为对应临界温度以下的所有等温热物性曲线上都存在压力平台区域的气体，因而，压力标准源10内的压力标准气体的密度处于压力平台区域且温度小于临界温度。此时，压力标准气体的压力是固定的，可以用于校准压力测量设备，同时，由于压力标准源10较为轻便，便携性较高。

图9为本发明第二实施例提供的压力标准源制备设备的结构示意图一，如图9所示，本实施例提供的压力标准源制备设备20，可以制备上一实施例提供的压力标准源10，则本实施例提供的压力标准源制备设备20包括：

气体密度调节装置21、气体装载容器23、真空制造装置22。

气体密度调节装置21、气体装载容器23以及真空制造装置22都与压力标准源10的气体通道13连接。

真空制造装置22用于在制备压力标准源10之前，使压力容器12的气体存储空间处于真空状态，从而降低压力容器12内由于气体纯度不够对压力标准产生的不良影响。

气体密度调节装置21用于调节压力容器12中压力标准气体的密度，以使压力标准气体的密度处于对应等温热物性曲线上的压力平台区域。

气体装载容器23用于给压力容器12提供压力标准气体。气体装载容器23可以采用普通的气瓶，从而降低制备的成本。

可选的，气体密度调节装置21为可调容积装置，通过将可调容积装置中的压力标准气体压入压力容器12，以改变压力容器12内压力标准气体的密度。

可调容积装置包括气体存储容器和可移动模块。

气体存储容器的上表面设有贯穿气体存储容器上表面至存储气体区域的气体通道以及下表面设有开口。气体存储容器的气体通道与压力容器12的气体通道13连接。

可移动模块可沿开口的内侧移动。可移动模块大小与开口大小相匹配，以使可调容积装置中的气体不会从开口处泄漏至外面。可移动模块的上表面和气体存储容器的气体通道之间的区域为存储气体区域。

可调容积装置中存储的最大气体体积可以根据实际需求进行设置，比如可以将其最大体积设置与压力容器12的气体存储体积相同。

可移动模块用于调节存储气体区域的体积。可移动模块在移动时，可以改变存储气体区域的体积，同时，也可以将部分气体从气体通道推出。

可选的，真空制造装置22为真空泵。

真空泵与气体存储容器的气体通道连接。

真空泵与压力容器12的气体通道13连接。

真空泵用于在制备压力标准源10之前，使气体存储容器的存储气体区域和压力容器12的存储气体区域处于真空状态。真空泵是一种常用的真空制造装置22，方便移动且真空效果较好。

可选的，压力标准源10制备设备还包括：第一阀门15、第二阀门25和第三阀门24。

第一阀门15设于气体存储容器的气体通道与压力容器12的气体通道13之间，控制该气体通道的通断。

第二阀门25设于真空泵与气体存储容器的气体通道之间，控制该气体通道的通断。

第三阀门24设于气体装载容器23与气体存储容器的气体通道之间，控制该气体通道的通断。

为了进一步详细的说明本发明的压力标准源制备设备20，下面将结合图10进行进一步的说明。

本实施例中，如图所示，用不锈钢或其它金属材料制成压力容器12，其体积为V1，例如100mL(体积单位：毫升)。采用的压力标准气体为CO

压力容器12的温度可通过温控器11进行控制。温控器11可分为两种，一种是温度可调的控制仪器，另一种是可获得恒定温度的固定点装置，例如水三相点容器、镓固定点容器。

压力容器12和温控器11组成压力标准源10，其中的压力介质是CO

气体密度调节装置21采用可调容积装置，可调容积装置的可移动模块-旋转丝杠，如图中可调容积装置的下半区域所示。可调容积装置可通过旋转丝杠改变其内部体积V2。V2的调节范围是V2min～V2max。例如V2min＝0，V2max＝V1。

真空制造装置22采用的真空泵，用于将压力容器12、可调容积装置、器件互连的气体通道13-气管内的气体抽空，抽空后的残余压力应至少低于0.1Pa(压力单位：帕斯卡)。

气体装载容器23采用的气瓶，气瓶采用的瓶装CO

为了提高安全性，所有承受压力的部件，如压力容器12、可调容积装置、气管、第一阀门15、第二阀门25、第三阀门24等，能安全承受的压力至少为15MPa。

压力标准源10的制备流程：

S201，按照图10将各部件用气管连接起来。

S202，温控器11处于关闭状态。压力标准源10制备设备各部件的温度为室温，例如25℃。可调容积处于最大容积状态，即V2max。

S203，打开第一阀门15、第二阀门25，关闭第三阀门24，开启真空泵，抽空压力容器12、可调容积装置及气管内的残余气体。

S204，关闭第二阀门25，打开第三阀门24，使得气瓶中的CO

S205，关闭第三阀门24。可重复步骤S203、S204多次，以降低残余气体的影响。

S206，旋转丝杠，压缩可调容积装置中的气体存储体积至V2min，将可调容积装置内的CO

以V2max＝V1为例，D＝2D0＝486kg/m

S207，关闭第一阀门15。开启温控器11，使压力容器12的温度控制为室温以下的某一温度，则压力容器12内的压力保持为某一确定的压力，该压力值可由图3(CO

图11为本发明第三实施例提供的压力校准方法的流程示意图，如图11所示，本实施例提供的压力校准方法，采用第一实施例或第二实施例提供的压力标准源进行校验，则本实施例提供的压力校准方法，包括以下步骤：

步骤S101，将压力标准源、待校准的压力测量设备以及真空制造装置通过气管建立连接。通过气管连接，以建立压力标准气体提供压力的通道。

步骤S102，采用真空制造装置使压力测量设备的气体通道以及气管处于真空状态。通过将压力测量设备的气体通道以及气管处于真空状态可以使压力标准气体提供的压力更为稳定，避免由于掺杂其他气体导致压力发生变化的问题。

步骤S103，采用压力标准源通过气管传输压力标准气体至压力测量设备，以根据压力标准源提供的压力对压力测量设备进行校准。

由于压力标准源中压力标准气体的温度、密度都是确定的，因而，压力也是可确定的固定数值。通过压力标准源提供的压力与压力测量设备显示的压力数值进行比较和调整，即可实现对压力测量设备的校准。同时，也可以调整压力标准气体的温度，以使压力标准气体在一定范围内变化，从而对压力测量设备进行多次校准。

为了更好的理解本发明实施例的压力校准方法，下面将结合实际的应用场景实施例进行举例说明。

如图12所示，本实施例校准的压力测量设备为压力表30。真空制造装置22采用真空泵，气体通道13由气管构建。首先将压力标准源、真空泵、第一阀门15、第二阀门25以及压力表30用气管连接起来。压力标准源包括温控器11、压力容器12以及观察窗14。

此时，第一阀门15处于关闭状态，打开第二阀门25，开启真空泵，对压力表30和气管中的空气抽空，避免空气影响压力标准源10中的压力标准气体的纯度，影响压力数值。

然后关闭第二阀门25，打开第一阀门15，使压力标准源的压力从压力容器12传导至压力表30，达到压力平衡。由压力标准源10提供标准压力值，对压力表30进行校准。

压力标准源10产生的标准压力通过温控器11进行调节，可在一定的压力范围内对压力表30进行校准。

本实施例的压力校准方法，步骤简单，校准效率较高。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求书指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求书来限制。