Voor industriële en overheidslaboratoria om ervoor te zorgen dat hun drukmeetmachines correct werken, ze hebben een betrouwbare bron van druk nodig. Vaak, die bron is een zuigermeter - een cilinder van metaal die met een voorspelbare snelheid door een holle cilinder of "huls" valt. Medewerkers van NIST's Physical Measurement Laboratory (PML) voeren nauwkeurige kalibraties uit van zuigermeters voor klanten, waaronder de marine, het leger, luchtvaartmaatschappijen, en energiebedrijven.

Al decenia, die kalibraties werden nauwgezet met de hand gedaan. Maar het personeel heeft onlangs een nieuwe, geautomatiseerd systeem dat de tijd die nodig is voor elke test drastisch vermindert.

Druk is een maat voor de hoeveelheid kracht die op een oppervlakte-eenheid wordt uitgeoefend. Voor een zuigermeter, die kracht komt van een massa die bovenop de zuiger wordt geplaatst, het naar beneden duwen. Het gebied in dit geval is het dwarsdoorsnedegebied van de zuiger, gecorrigeerd voor vervorming en defecten en aangeduid als het "effectieve gebied". Dus voor zuigermeters, druk is afhankelijk van het effectieve gebied van de zuiger en hoeveel massa erop wordt geplaatst.

Klanten voor NIST's kalibratieservice voor zuigermeters zijn onder meer luchtvaartmaatschappijen, energiebedrijven, en het leger.

Om de meter van een klant te kalibreren, onderzoekers moeten de druk die wordt gegenereerd door twee verschillende meters in evenwicht brengen. Aan de ene kant van deze balans bevindt zich de zuigermeter van de klant. Aan de andere kant bevindt zich een van de standaard zuigermeters van NIST, waarvan de afmetingen precies zijn gemeten, zodat het effectieve gebied buitengewoon goed bekend is. Dezelfde nominale massa - ook gemeten bij NIST met hoge precisie - wordt op elke meter geplaatst.

Onderzoekers kennen het effectieve gebied van de standaard zuigermeter, en ze kennen de waarde van de massa's die op de meters worden geplaatst. Wat ze niet weten, maar moet erachter komen om de kalibratie te voltooien, is het effectieve gebied van de meter van de klant.

In de oude, handmatige methode, de meters waren verbonden met een verschildrukcel, die een wijzerplaat heeft die aangeeft hoe verschillend de ene druk is van de andere. Om evenwicht te bereiken, een onderzoeker zou massa's van alle verschillende groottes toevoegen of verwijderen, sommige zo klein als 5 milligram (mg), van en naar de bovenkant van de zuigermeters. Toen de druk eenmaal in evenwicht was, onderzoekers zouden noteren hoeveel massa er was gebruikt voor de meter van de klant en dat gebruiken om het effectieve gebied te berekenen. Dit zou dan verschillende keren worden herhaald - meestal in totaal 10 - bij verschillende drukken binnen het bereik van de zuigermeter. Uiteindelijk, NIST-onderzoekers zouden de klant een rapport kunnen bezorgen met correcties die ze konden toepassen op alle metingen die ze met hun zuigermeter hadden gedaan.

Dit klinkt misschien eenvoudig. Maar in de praktijk, het kostte veel tijd, omdat onderzoekers in wezen een bijna perfecte balans tussen de twee meters moesten maken. "Het was erg vermoeiend, " zegt Greg Driver, de NIST PML-medewerker die deze kalibraties meer dan veertig jaar heeft uitgevoerd tot aan zijn pensionering begin dit jaar.

"Op de oude manier je zou de onderzoeker zien met een pincet, deze kleine massa's uit de doos pakken en ze keer op keer op dit ding laten vallen, " zegt Julia Scherschligt van NIST PML. Bovendien, ze vervolgt, de technicus zou elke keer dat de massa's werden gewijzigd goed moeten instellen voor een balans, het bedekken en blootleggen van de zuigermeters om te voorkomen dat luchtstromen hun prestaties beïnvloeden, het toevoegen van trekjes stikstofgas aan de meters om te voorkomen dat ze op de bodem van hun mouwen vallen, en het met de hand ronddraaien van de meters om te voorkomen dat kleine onvolkomenheden in hun constructie de resultaten scheeftrekken. (Zie video voor een demonstratie van de oude handmatige methode.)

Ongeveer een jaar geleden, het team begon een manier te zoeken om deze vergelijking te automatiseren om te voorkomen dat er een perfecte balans moest worden gecreëerd. Bij de nieuwe methode de drukken worden vergeleken met behulp van een transducer, die eerst de druk bemonstert die door één wordt gecreëerd en vervolgens, binnen enkele seconden, bemonstert de druk die door de ander wordt gecreëerd. Geen kleine massa's meer toevoegen en verwijderen:de onderzoekers plaatsen gewoon dezelfde nominale massa bovenop elke meter en voegen vervolgens aan elke kant een klein beetje stikstofgas toe wanneer dat nodig is. Spoedig, zij hopen, ze hoeven de stikstof niet eens handmatig aan te zetten - de computer zorgt automatisch voor de volledige kalibratie.

De schoonheid van het nieuwe systeem, Scherschligt zegt, is dat de transducer zelf niet gekalibreerd hoeft te worden. "Het kan worden gezien als een apparaat dat de kalibratie van de NIST-zuigermeter vrijwel onmiddellijk overbrengt naar de klantmeter, "zegt ze. "De nauwkeurigheid van de transducer doet er niet toe - het kan orden van grootte afwijken - zolang het maar lineair reageert op veranderingen in druk."

Ze schatten dat ze op deze manier veel tijd besparen. "We kunnen in ongeveer een uur een tienpuntskalibratie uitvoeren, " zegt chauffeur. "Vroeger, het zou me bijna een hele dag kosten." ze hebben een precisie bereikt in de orde van enkele delen per miljoen, vergelijkbaar met de handmatige methode.

Het maken van het geautomatiseerde systeem was een teamprestatie. Yuanchao Yang, die destijds een NIST-medewerker was, het systeem ontworpen en gebouwd met input van Driver en Scherschligt en Dawn Cross van NIST PML, die de kalibraties van de zuigermeter heeft uitgevoerd sinds de pensionering van Driver. Van het NIST Office of Information Systems Management, Katie Schlatter was de procesingenieur en John Quintavalle ontwierp en schreef de software.

Direct, de drukbereiken die door het geautomatiseerde systeem worden gedekt, gaan slechts tot 7 MPa (megapascal, ongeveer 1000 psi), wat betekent dat elke zuigermeter met een drukbereik hoger dan 7 MPa nog steeds met de hand moet worden gekalibreerd. Het NIST-team is van plan dit gedeeltelijk geautomatiseerde systeem te upgraden naar 14 MPa (ongeveer 2000 psi), en zou uiteindelijk een ander systeem willen maken met volledige automatisering.