För industri- och statliga labb för att säkerställa att deras tryckmätningsmaskiner fungerar korrekt, de behöver en pålitlig tryckkälla. Ofta, den källan är en kolvmätare – en cylinder av metall som faller genom en ihålig cylinder eller "hylsa" med en förutsägbar hastighet. Personal vid NIST:s Physical Measurement Laboratory (PML) utför exakta kalibreringar av kolvmätare för kunder inklusive marinen, armén, flygbolag, och kraftbolag.
I årtionden, dessa kalibreringar gjordes noggrant för hand. Men personalen har nyligen utvecklat och lanserat en ny, automatiserat system som dramatiskt minskar tiden som krävs för varje test.
Tryck är ett mått på mängden kraft som appliceras på en enhetsarea. För en kolvmätare, den kraften kommer från en massa som är placerad ovanpå kolven, trycker ner den. Arean i detta fall är kolvens tvärsnittsarea, korrigeras för snedvridning och defekter och kallas det "effektiva området". Så för kolvmätare, trycket är beroende av kolvens effektiva yta och hur mycket massa som placeras på den.
Kunder för NIST:s kolvmätare kalibreringstjänst inkluderar flygbolag, kraftbolag, och militären.
För att kalibrera en kunds mätare, forskare måste balansera trycket som genereras av två olika mätare. På ena sidan av denna våg finns kundens kolvmätare. På andra sidan finns en av NISTs standardkolvmätare, vars dimensioner har mätts exakt så att dess effektiva yta är mycket väl känd. Samma nominella massa – även mätt vid NIST med hög precision – placeras på varje mätare.
Forskare känner till det effektiva området för standardkolvmätaren, och de vet värdet av massorna som placeras på mätarna. Vad de inte vet, men behöver ta reda på för att slutföra kalibreringen, är det effektiva området för kundens mätare.
I det gamla, manuell metod, mätarna var kopplade till en differentialtryckscell, som har en ratt som indikerar hur olika ett tryck är från ett annat. För att uppnå balans, en forskare skulle lägga till eller ta bort massor av alla olika storlekar, några så små som 5 milligram (mg), till och från toppen av kolvmätarna. När trycket väl var balanserat, forskare skulle notera hur mycket massa som hade använts för kundens mätare och använda det för att beräkna den effektiva arean. Detta skulle sedan upprepas flera gånger – vanligtvis totalt 10 – vid olika tryck inom kolvmätarens område. I slutet, NIST-forskare skulle kunna förse kunden med en rapport som gav korrigeringar som de kunde tillämpa på alla mätningar de gjorde med sin kolvmätare.
Detta kan låta okomplicerat. Men i praktiken, det var extremt tidskrävande, eftersom forskare var tvungna att i huvudsak göra ett nästan perfekt balansförhållande mellan de två mätarna. "Det var väldigt tråkigt, " säger Greg Driver, NIST PML-personalen som utförde dessa kalibreringar i mer än fyrtio år fram till sin pensionering i början av året.
"På det gamla sättet, du skulle se forskaren med en pincett, tar upp dessa små massor ur lådan och skjuter dem på den här saken om och om och om igen, " säger NIST PML:s Julia Scherschligt. Utöver det, fortsätter hon, teknikern skulle behöva ställa in ordentligt för en balans varje gång massorna ändrades, täcka och avtäcka kolvmätarna för att förhindra att luftströmmar påverkar deras prestanda, lägga till kvävgas till mätarna för att hindra dem från att falla ner på ärmarna, och hand-snurrande mätarna för att förhindra att eventuella smärre brister i deras konstruktion förvränger resultaten. (Se video för en demonstration av den gamla manuella metoden.)
För ungefär ett år sedan, teamet började undersöka ett sätt att automatisera denna jämförelse för att undvika att behöva skapa en perfekt balans. I den nya metoden, trycken jämförs med en givare, som först provar trycket som skapas av en och sedan, inom några sekunder, prover trycket som skapas av den andra. Inget mer att lägga till och ta bort små massor:forskarna placerar helt enkelt samma nominella massa ovanpå varje mätare och lägger sedan till lite kvävgas på varje sida när det behövs. Snart, de hoppas, de behöver inte ens slå på kvävet manuellt – datorn tar hand om hela kalibreringen automatiskt.
Det fina med det nya systemet, Scherschligt säger, är att själva givaren inte behöver kalibreras. "Det kan ses som en enhet som nästan omedelbart överför kalibreringen av NIST-kolvmätaren till kundmätaren, " säger hon. "Givarens noggrannhet spelar ingen roll - den kan vara avstängd i storleksordningar - så länge den reagerar linjärt på tryckförändringar."
De uppskattar att de sparar mycket tid på detta sätt. "Vi kan göra en tiopunktskalibrering på ungefär en timme, " Säger föraren. "Innan, det skulle ta mig nästan en hel dag." Dessutom, de har uppnått precision i storleksordningen några delar per miljon, jämförbar med den manuella metoden.
Att skapa det automatiserade systemet var ett lagarbete. Yuanchao Yang, som var en NIST-medarbetare vid den tiden, designade och byggde systemet med input från Driver och Scherschligt samt NIST PML:s Dawn Cross, som har utfört kolvmätarkalibreringarna sedan förarens pensionering. Från NIST Office of Information Systems Management, Katie Schlatter var processingenjör och John Quintavalle designade och skrev programvaran.
Just nu, tryckområdena som täcks av det automatiserade systemet går bara upp till 7 MPa (megapascal, ca 1000 psi), vilket innebär att alla kolvmätare med ett tryckområde högre än 7 MPa fortfarande måste kalibreras för hand. NIST-teamet planerar att uppgradera detta delvis automatiserade system till 14 MPa (cirka 2000 psi), och skulle i slutändan vilja göra ett annat system med full automatisering.
