En hurtigere måde at kalibrere stempelmålere

For industrien og offentlige laboratorier for at sikre, at deres trykmålemaskiner fungerer korrekt, de har brug for en pålidelig kilde til tryk. Tit, denne kilde er en stempelmåler - en cylinder af metal, der falder gennem en hul cylinder eller "muffe" med en forudsigelig hastighed. Personalet på NIST's Physical Measurement Laboratory (PML) udfører præcise kalibreringer af stempelmålere for kunder, herunder flåden, hæren, flyselskaber, og elværker.

I årtier, disse kalibreringer blev udført omhyggeligt i hånden. Men personalet har for nylig udviklet og lanceret et nyt, automatiseret system, der dramatisk reducerer den tid, der kræves for hver test.

Tryk er en måling af mængden af ​​kraft, der påføres et enhedsareal. For en stempelmåler, at kraften kommer fra en masse, der er placeret oven på stemplet, skubber den ned. Området i dette tilfælde er stemplets tværsnitsareal, korrigeret for forvrængning og defekter og omtalt som det "effektive område". Så for stempelmålere, trykket afhænger af stemplets effektive areal, og hvor meget masse der placeres på det.

Kunder til NIST's stempelmåler kalibreringstjeneste inkluderer flyselskaber, elværker, og militæret.

For at kalibrere en kundes måler, forskere skal afbalancere det tryk, der genereres af to forskellige målere. På den ene side af denne balance er kundens stempelmåler. På den anden side er en af ​​NISTs standardstempelmålere, hvis dimensioner er blevet målt nøjagtigt, så dets effektive område kendes ekstremt godt. Den samme nominelle masse - også målt ved NIST med høj præcision - er placeret på hver måler.

Forskere kender det effektive område af standardstemplemåler, og de kender værdien af ​​masserne, der placeres på målerne. Hvad de ikke ved, men skal finde ud af at fuldføre kalibreringen, er det effektive område af kundens måler.

I det gamle, manuel metode, målerne var forbundet med en differenstrykcelle, som har en urskive, der angiver, hvor forskelligt det ene tryk er fra det andet. For at opnå balance, en forsker ville tilføje eller fjerne masser af alle forskellige størrelser, nogle så små som 5 milligram (mg), til og fra toppen af ​​stempelmålere. Når trykket var balanceret, forskere ville bemærke, hvor meget masse der var blevet brugt til kundens måler og bruge det til at beregne det effektive areal. Dette ville derefter blive gentaget flere gange - normalt i alt 10 - ved forskellige tryk inden for stempelmålerens rækkevidde. Til sidst, NIST -forskere ville kunne give kunden en rapport, der gav korrektioner, som de kunne anvende på alle målinger, de foretog med deres stempelmåler.

Dette lyder måske ligetil. Men i praksis, det var ekstremt tidskrævende, fordi forskere i det væsentlige skulle lave en næsten perfekt balancetilstand mellem de to målere. "Det var meget kedeligt, "siger Greg Driver, NIST PML -medarbejderen, der udførte disse kalibreringer i mere end fyrre år, indtil han gik på pension tidligt i år.

"På den gamle måde, du ville se forskeren med en pincet, tager disse små små masser ud af kassen og smider dem på denne ting igen og igen og igen, "siger NIST PML's Julia Scherschligt. Oven i det, hun fortsætter, teknikeren skulle ordentligt oprette en balance hver gang masserne blev ændret, dække og afdække stempelmålere for at forhindre luftstrømme i at påvirke deres ydeevne, tilføjer pust af nitrogengas til målerne for at forhindre dem i at falde til bunden af ​​ærmerne, og håndspinde målerne for at forhindre små ufuldkommenheder i deres konstruktion i at skæve resultaterne. (Se video for en demonstration af den gamle manuelle metode.)

For cirka et år siden, teamet begyndte at undersøge en måde at automatisere denne sammenligning for at undgå at skulle skabe en perfekt balance. I den nye metode, trykket sammenlignes ved hjælp af en transducer, som først prøver det tryk, der er skabt af en og derefter, inden for få sekunder, prøver det tryk, den anden skaber. Ikke mere tilføjelse og fjernelse af små masser:forskerne placerer simpelthen den samme nominelle masse oven på hver måler og tilføjer derefter en smule nitrogengas til hver side, når det er nødvendigt. Snart, de håber, de behøver ikke engang manuelt at tænde nitrogenet - computeren tager sig af hele kalibreringen automatisk.

Skønheden i det nye system, Scherschligt siger, er, at selve transduceren ikke skal kalibreres. "Det kan betragtes som en enhed, der næsten øjeblikkeligt overfører kalibreringen af ​​NIST-stempelmåleren til kundemåleren, "siger hun." Transducerens nøjagtighed er ligegyldig - den kan være slukket med størrelsesordener - så længe den reagerer lineært på ændringer i trykket. "

De vurderer, at de sparer betydelig tid på denne måde. "Vi kan lave en ti-punktskalibrering på cirka en time, "Chauffør siger." Før, det ville tage mig næsten en hel dag. "Desuden, de har opnået præcision i størrelsesordenen få dele pr. million, kan sammenlignes med den manuelle metode.

Oprettelsen af ​​det automatiserede system var en teamindsats. Yuanchao Yang, som var en NIST -medarbejder på det tidspunkt, designet og bygget systemet med input fra Driver og Scherschligt samt NIST PML's Dawn Cross, hvem har udført stempelmålerkalibreringerne siden førerens pensionering. Fra NIST Office of Information Systems Management, Katie Schlatter var procesingeniør og John Quintavalle designet og skrev softwaren.

Lige nu, de trykområder, der dækkes af det automatiserede system, går kun op til 7 MPa (megapascal, ca. 1000 psi), hvilket betyder, at enhver stempelmåler med et trykområde over 7 MPa stadig skal kalibreres i hånden. NIST -teamet planlægger at opgradere dette delvist automatiserede system til 14 MPa (ca. 2000 psi), og vil i sidste ende gerne lave et andet system med fuld automatisering.