Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Kolbenmanometer

Kolbenmanometer als Normalgeräte realisieren die Definitionsgleichung des Drucks unmittelbar. Der Druck wirkt auf die Stirnfläche eines gewichtsbelasteten rotierenden Kolbens, der in einem senkrecht stehenden Zylinder frei beweglich ist. Das Druckmedium, Gas oder Flüssigkeit, entweicht durch den sehr engen Spalt zwischen Kolben und Zylinder (Spaltweite < 1 µm) und verhindert im Betrieb den direkten Kontakt zwischen beiden Komponenten.			Kolben-Zylinder-Messsysteme für Drücke bis 350 kPa (links) und 400 MPa (rechts)
Die auf den Kolben wirkende Kraft ist aus Wägungen mit einer relativen Unsicherheit von 1 · 10-6 oder besser bestimmbar.
In der Arbeitsgruppe 5.31 "Geometrische Normale" der PTB durchführbare Durchmesserbestimmungen in Verbindung mit Rundheits- und Geradheitsmessungen an den Oberflächen von Kolben und Zylinderbohrung ermöglichen es nach der Theorie von Dadson, Greig und Horner, bei Kolbendurchmessern zwischen 15 und 50 mm oder mehr die wirksame Querschnittsfläche des Kolbens im Zylinder mit relativen Unsicherheiten < 5 · 10-6 anzugeben. So kalibrierte Kolben-Zylinder-Systeme stehen für die Messbereiche bis 2 MPa (Druckmedium: Stickstoff) und bis 10 MPa (Druckmedium: Öl) zur Verfügung. Kolbenmanometer mit Messsystemen wie im Bild oben links werden auch als Normalgeräte zur Messung des Absolutdrucks eingesetzt und stellen dann eine Alternative zu Quecksilbermanometern als Normalgeräte dar.
Die kleineren Querschnittsflächen der Kolben zur Messung größerer Drücke werden aus Druckvergleichsmessungen mit bereits bekannten Normalgeräten bestimmt (step-up-Verfahren). Bei solchen Messsystemen tritt die elastische Verformung von Kolben und Zylinder als lineare Druckabhängigkeit der Querschnittsfläche in Erscheinung. Der Druckkoeffizient wird nach einem Iterationsverfahren bestimmt, das abwechselnd den Druckverlauf im verformten Spalt und anschließend die durch den Druck bewirkte Verformung nach der FEA-Methode berechnet, z.B. für das oben rechts abgebildete 400 MPa-System.
Entsprechende Berechnungen in Verbindung mit experimentellen Untersuchungen wurden auf den Messbereich bis 1GPa ausgedehnt, für den ein Doppel-Kolbenmanometer mit zwei Massensätzen à 500 kg zur Verfügung steht. Dieses Gerät kann mit Messsystemen für Drücke bis 10 MPa (4,9 cm2), bis 1 GPa (0,05 cm2) sowie mit Systemen für Zwischenbereiche, darunter Systeme für den Bereich bis 400 MPa wie oben dargestellt, betrieben werden.

Diagramm: Elastische Verformung des 400 MPa-Systems

1. Jäger J. et al., Piston-cylinder assemblies of 5 cm² cross-sectional area used in an oil-operated primary pressure balance standard for the 10 MPa range, Metrologia, 1999, 36, 541-544
2. Molinar G. et al., Comparison of methods for calculating distortion in pressure balances up to 400 MPa - EUROMET Project #256, Metrologia, 1998, 38, 739-759
3. Molinar G.F. et al., CCM key comparison in the pressure range 0.05 MPa to 1 MPa (gas medium, gauge mode) / Phase A1: Dimensional measurements and calculation of effective area, Metrologia, 1999, 36, 657-662
4. Legras J.C. et al., CCM key comparison in the pressure range 50 kPa to 1000 kPa (gas medium, gauge mode) / Phase A2: Pressure measurements, Metrologia, 1999, 36, 663-668
5. Legras J.C. et al, EUROMET Intercomparison in the pressure range 100 MPa to 700(1000) MPa, Metrologia, 1993/94, 30, 721-725

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