Áp kế píttông: nguyên lý, tính áp suất chuẩn, các hiệu chính và cách dùng để hiệu chuẩn áp kế

Áp kế píttông tạo áp suất chuẩn từ khối lượng và diện tích: công thức đầy đủ, ví dụ tính, độ lớn các hiệu chính trọng trường, chênh độ cao, nhiệt độ, cân chéo và trình tự hiệu chuẩn áp kế.

Áp suất là lực trên diện tích, và cách chính xác nhất để tạo ra một áp suất biết trước là đặt quả cân lên một píttông có diện tích biết chính xác. Đó là áp kế píttông (pressure balance, còn gọi là dead weight tester): chuẩn áp suất phổ biến nhất ở các phòng hiệu chuẩn, dùng để hiệu chuẩn áp kế lò xo, áp kế hiện số và bộ chuyển đổi áp suất. Bài này giải thích nguyên lý, cách tính áp suất chuẩn với đủ các hiệu chính (trọng trường, lực đẩy không khí, nhiệt độ, biến dạng, chênh độ cao), cách hiệu chuẩn chính áp kế píttông và trình tự dùng nó làm chuẩn.

1. Nguyên lý và cấu tạo

Một píttông được mài rà lắp vào xi lanh với khe hở chỉ vài micromét. Dầu (hoặc khí) dưới píttông được bơm vít nén lên tới khi áp suất đủ nâng píttông cùng các quả cân đặt trên nó; lúc píttông nổi tự do ở vị trí làm việc, áp suất cân bằng với trọng lượng chia cho diện tích hiệu dụng:

p = m · g · (1 − ρ_kk/ρ_qc) / [A₀ · (1 + λ·p) · (1 + (α_p + α_c)·(t − 20))]

• m: tổng khối lượng thật của quả cân, píttông và đĩa mang tải.
• g: gia tốc trọng trường tại nơi đặt áp kế.
• A₀: diện tích hiệu dụng ở 20 °C và áp suất 0; λ: hệ số biến dạng theo áp suất; α_p, α_c: hệ số giãn nở của píttông và xi lanh.

Píttông được quay trong lúc đo để màng dầu phân bố đều, giảm ma sát. Loại dùng khí phù hợp cho dải áp suất thấp và trung bình, loại dùng dầu cho dải cao tới hàng trăm MPa. Áp kế píttông tốt có độ không đảm bảo cỡ 0,005–0,015 % giá trị đo, tốt hơn nhiều so với hầu hết thiết bị được hiệu chuẩn bằng nó.

2. Tính áp suất chuẩn: một ví dụ

Một bộ quả cân ghi "100 bar" thường được tính với g chuẩn 9,80665 m/s². Dùng ở TP.HCM, g chỉ khoảng 9,7821 m/s² nên áp suất thật thấp hơn khoảng 0,25 %, ngang toàn bộ sai số cho phép của áp kế cấp 0,25. Một số nhà sản xuất chỉnh khối lượng quả cân theo g của nơi dùng; phải đọc giấy chứng nhận để biết bộ quả cân đang tính theo g nào.

3. Các hiệu chính lớn đến đâu

• Trọng trường: lớn nhất và không đổi theo áp suất; luôn dùng g đo tại chỗ hoặc theo số liệu trọng lực tin cậy.
• Chênh độ cao: cột dầu 15 cm tương ứng khoảng 0,0126 bar. Không đổi về giá trị tuyệt đối nên quan trọng nhất ở áp suất thấp: 0,13 % ở 10 bar. Với khí, cột khí nhẹ hơn nhiều nhưng vẫn phải tính ở dải thấp.
• Lực đẩy không khí lên quả cân: khoảng 0,015 %.
• Nhiệt độ píttông: diện tích tăng theo nhiệt độ; vài độ lệch khỏi 20 °C cho vài chục ppm.
• Biến dạng: diện tích hiệu dụng thay đổi theo áp suất, đáng kể ở dải cao (hàng trăm MPa).

4. Hiệu chuẩn chính áp kế píttông

Áp kế píttông được hiệu chuẩn hai phần:

• Khối lượng: từng quả cân, píttông và đĩa mang tải được hiệu chuẩn khối lượng thật (kèm khối lượng riêng vật liệu) bằng cân so sánh.
• Diện tích hiệu dụng: bằng cân chéo với một áp kế píttông chuẩn bậc cao hơn. Hai áp kế nối chung đường dầu; người làm thêm bớt quả cân rất nhỏ trên một bên tới khi hai píttông cân bằng (tốc độ chìm của mỗi píttông bằng tốc độ khi đứng riêng). Lặp ở nhiều áp suất trên dải để có A₀ và λ.

Trong nước, quy trình hiệu chuẩn áp kế píttông là ĐLVN 289:2016; hướng dẫn quốc tế có EURAMET cg-3 và khuyến nghị OIML R 110. Ngoài A₀ và λ, giấy chứng nhận thường ghi thêm tốc độ chìm của píttông, độ nhạy, nhiệt độ tham chiếu.

5. Hiệu chuẩn áp kế bằng áp kế píttông

1. Đặt áp kế píttông trên bàn chắc, cân bằng theo bọt thủy để trục píttông thẳng đứng.
2. Dùng đúng loại dầu ghi trên giấy chứng nhận, xả hết bọt khí; khí trong đường dầu làm áp suất dao động, píttông khó nổi ổn định.
3. Lắp áp kế cần hiệu chuẩn đúng tư thế sử dụng, đo chênh độ cao giữa tâm cảm biến (hoặc tâm ống Bourdon) và mức chuẩn của píttông.
4. Gia áp sơ bộ tới giá trị lớn nhất hai, ba lần.
5. Mỗi điểm: đặt quả cân, bơm tới khi píttông nổi giữa hành trình, quay píttông, chờ ổn định, đọc áp kế. Đo chiều tăng rồi chiều giảm.
6. Tính áp suất chuẩn có đủ hiệu chính, sai số, độ trễ và độ không đảm bảo (quy trình cho áp kế lò xo và hiện số xem bài tiếp theo của loạt).

6. Lưu ý vận hành và bảo quản

• Không để píttông chạm đáy hoặc đỉnh hành trình khi đọc; ở hai đầu, áp suất không còn do quả cân quyết định.
• Thời gian quay và tốc độ chìm là chỉ báo tình trạng: píttông chìm nhanh bất thường là khe hở mòn hoặc dầu sai loại.
• Giữ quả cân sạch, không chạm tay trần, cất trong hộp; bụi và rỉ làm khối lượng thay đổi.
• Không tháo píttông khỏi xi lanh nếu không cần; khi lau rửa dùng đúng dung môi, tránh xước.
• Ghi nhiệt độ píttông (nhiều loại có cảm biến gắn sẵn) và nhiệt độ phòng mỗi lần đo.

7. Những lỗi hay gặp

8. Xem thêm

• Cảm biến áp suất: cấu tạo, nguyên lý áp trở, điện dung, áp điện và cách chế tạo.
• Các bài khác trong loạt: chuẩn lực và gia tốc trọng trường, hiệu chuẩn áp kế lò xo và áp kế hiện số, hiệu chuẩn transmitter áp suất 4–20 mA.