11
7/28/2019 A Primary DeadWeight Tester http://slidepdf.com/reader/full/a-primary-deadweight-tester 1/11 Volume  08 ,  Number 2,  March-April 2003 Journal  of  Research  of the  National Institute of  Standards and  Technology [J.  Res.  Natl.  Inst.  Stand.  Technol.  08 ,  35-145  (2003)] A  Primary  Dead-  Weight  Tester  for  Pressures  (0.05-1.0)  MPa  Volume  08  Number 2  March-April  2003  Kamlesh Jain  National  Physical  Laboratory, New  Delhi,  India  Walt  Bowers  an d  James  W.  Schmidt  National  Institute  of  Standards  an d  Technology, Gaithersburg, MD  20899-8360  [email protected]  [email protected]  Recent  advances in technology  on  two  fronts,  ) the  fabrication  of large-diameter pistons and  cylinders with good geometry, and  2)  the  ability to  measure  the  dimen- sions  of these components  with high accu-  racy,  have  allowed dead-weight  testers  at  the  National  Institute  of Standards an d  Technology (NIST)  to  generate  pressures that approach total  relative  uncertainties previously obtained only by  manometers. This paper  describes a 35  mm  diameter  piston/cylinder  assembly  (known within NIST  as  PG-39)  that serves as  a pressure standard  in which  both  the  piston  an d  the  cylinder have  been accurately  dimensioned  by  Physikalisch  Technische Bundesanstalt (PTB). Both  artifacts (piston  an d  cylinder) appeared to  be  round  within ±3 0  nm  an d  straight  within ±100  nm  over a substantial fraction  of their  heights.  Based on  the  diameters  at  20  °C  provided  by  PTB  (±15  nm )  an d  on  the  good  geometry of the  arti-  fact,  the  relative  uncertainties for  the  effective area were  estimated to  be  about 2.2X10"'(1CT).  Key  words:  ead-weight  tester;  piston/cylinder  assembly; piston  gage; pressure  measurement;  primary  pressure  standards.  Accepted:  anuary 21,  2003  Available online:  ttp://www.nist.gov/jres  1.  Introduction  The  pressure tandard  n  he  tmospheric  pressure  range t  he  ational nstitute f tandards nd  Technology (NIST) is  presently established using  mer- cury  manometers  [1-4].  However,  recent  developments in  he  abrication  of  large-diameter  high-quality  pis-  ton/cylinder  assemblies  and  recent advances  in  dimen- sional  metrology  have  llowed  he  pressure measure- ment  community  to  contemplate  primary  pressure stan- dards  that  are  based  on  dimensional  measurements  of  pistons and  cylinders whose  uncertainties in  generated pressures  could  approach  the  best  manometers.  The  Pressure  and Vacuum  Group  at  NIST  ha s  recent-  ly  cquired ne w  imensional  easurements  f high  quality  rom  hysikalisch echnische  undesanstalt  (PTB)  [5,6]  hat  were  taken  from  a piston  gage  with  a history  going back  about  12  years [7,8].  The  ne w  meas-  urements have  yielded  substantially  reduced uncertain- ties  or  the  effective  area  compared with  the  previous determinations. This gage  has  a relatively large  diame- te r  (=35  mm),  which  means  that PTB's  stated uncertain- ty  on  length  measurements  (±15  nm )  would  allow the  diameter of each  piece  to  be  determined  with  a relative  standard  uncertainty ess  ha n  .5  x 10"', la).  his  would  ranslate  o  elative  tandard  uncertainty n  areaof 1.0x10^,  (lo).  Dimensional measurements  llow direct  determi-  nation of the  effective  area  of this  gage  without  refer-  ring  to  another  pressure  standard  for  its  calibration.  Fo r  smaller  diameter gages the  diameter of the  cylinder  is  typically etermined y  umbersome rocedure 135  

A Primary DeadWeight Tester

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: A Primary DeadWeight Tester

7/28/2019 A Primary DeadWeight Tester

http://slidepdf.com/reader/full/a-primary-deadweight-tester 1/11

Volume 08 , Number 2, March-April 2 0 0 3 

Journal of Research of th e National Institute of Standards an d Technology 

[J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol.  08 ,  35-145 (2003)] 

A Primary Dead- Weight Tester  for Pressures (0 .05-1.0) M Pa 

Volume 08   Number 2  March-April 2 0 0 3 

Kamlesh Jain National Physical Laboratory, 

N ew Delhi, India 

Walt Bowers and James W. Schmidt National Institute of Standards an d Technology, 

Gaithersburg, M D 20 8 99-8 360 

[email protected] 

[email protected]  

Recent advances in technology on  tw o 

fronts, ) the  fabrication of large-diameter 

pistons an d cylinders with good geometry, 

an d 2 ) the  ability to measure the dimen- 

sions of these components  with high accu- 

racy, have allowed dead-weight testers at 

the  National Institute of Standards an d 

Technology (NIST) to generate pressures 

that approach total relative uncertainties 

previously obtained only by  manometers . 

This paper describes a 35 m m  diameter  piston/cylinder assembly (known within 

NIST as PG-39) that serves as a pressure 

standard in which both the  piston an d the  

cylinder have been accurately dimensioned  

by  Physikalisch  Technische Bundesanstalt 

(PTB). Both artifacts (piston an d cylinder) 

appeared to be  round within ±3 0 nm  an d 

straight within ± 1 0 0 nm  over a substantial 

fraction of their heights. Based on  the  

diameters at 2 0 °C  provided by PT B (±15 

nm ) an d on the  good geometry of the arti- 

fact, the  relative uncertainties fo r the  

effective area were estimated to be about 

2.2X10"'(1CT). 

Key words: ead-weight tester; 

piston/cylinder assembly; piston gage; 

pressure measurement; primary pressure standards.  

Accepted: anuary 2 1, 2 003  

Available online: ttp://www.nist.gov/jres  

1.  Introduction  The pressure tandard n he  tmospheric pressure 

range t he ational nstitute f tandards nd  

Technology (NIST) is presently established using mer- 

cury manometers [1-4]. However, recent developments 

in he abrication of large-diameter high-quality pis- 

ton/cylinder assemblies an d recent advances in dimen- 

sional metrology have  llowed he pressure measure- 

ment community to  contemplate primary pressure stan- 

dards 

that 

are 

based 

on 

dimensional 

measurements 

of pistons an d cylinders whose uncertainties in generated 

pressures could approach the best manometers. 

The  Pressure and Vacuum  Group at  NIST ha s recent- 

ly cquired ne w imensional easurements f high 

quality ro m hysikalisch echnische undesanstalt 

(PTB) [5,6] ha t were taken from a piston gage with a 

history going back about 12  years [7,8]. The  ne w meas- 

urements have yielded substantially  reduced uncertain- 

ties or th e effective area compared with th e previous 

determinations. This gage ha s a relatively large diame- 

te r (=35 m m ) , which  means that PTB's stated uncertain- 

ty on length measurements (±15 nm ) would allow th e 

diameter of each piece to  be  determined  with a relative  

standard uncertainty ess ha n .5 x 10"', la). hi s 

would ranslate o  elative tandard uncertainty n 

areaof 1.0x10 ,̂ 

(lo). Dimensional measurements  llow  direct determi- 

nation of th e effective area of this gage without refer- 

ring to another  pressure standard fo r its calibration. Fo r 

smaller diameter gages th e diameter of th e cylinder is 

typically etermined y  umbersome rocedure 13 5 

Page 2: A Primary DeadWeight Tester

7/28/2019 A Primary DeadWeight Tester

http://slidepdf.com/reader/full/a-primary-deadweight-tester 2/11

Volume 08 , Number 2, March-April 2 0 0 3 

Journal of Research of th e National Institute of Standards an d Technology 

invented y ohnson nd ewhall 9] hich s 

described y eydemann nd elch 10] nd s 

referred to s  ontrolled clearance echnique. Other 

equally mportant spects or th e ranslation of these 

very accurate linear dimensions to an accurate  effective  

area are that both pieces constituting the present gage 

possessed excellent geometry an d there was a relative- 

ly small clearance between piston an d cylinder. These 

three conditions, ) accurate dimensional measurement 

capability  from  th e comparator at PTB, 2 ) good ge om- 

etry of th e  rtifact nd  ) mall  learance  llows he  

effective area when used as a pressure generator to be  

determined ith elative tandard ncertainty u(A)/A«+1.4x10 ,̂(10). 

A value or th e ffective  re a distilled ro m all he  

information n his eport grees with  ecent value 

obtained ia IST's ltrasonic nterferometer Manomet er (UIM) 11] within 2 .5 x 10"' an d it agrees 

within 10" ' f imensional easurements er- 

formed at NIST some years ag o [8]. 

Because NIST's Pressure an d Vacuum Group uses a 

reference temperature of 23 °C  whereas th e dimension-  

al measurements were done at 2 0 °C  it was necessary  to  

obtain an accurate value fo r th e thermal xpansion in 

order no t to degrade th e accuracy when operating th e gage at 23 °C . A  special oven/cooler w as constructed to  

measure th e thermal expansion. 

2.  Apparatus For th e present  measurements we used a piston an d a 

close itting ylinder with arge 35 m ) iameters 

made by th e Ruska Instrument Corporation'. (See Fig. 

1. ) nown within NIST s G-39, oth piston nd  

cylinder were made of tungsten carbide. When used as a pressure generator th e ssembly employs  conven- 

tional design with th e usual floating piston. A n impor- 

tant feature of th e gage is that both piston an d cylinder 

ar e ashioned ro m ingle blocks of tungsten arbide  

rather than relying on  bimetallic onstruction. With 

careful handling w e expect this feature to provide good 

stability over extended periods. 

For th e dimensional measurements we relied on th e 

relatively ew tate f he rt omparator t TB, 

Certain commercial equipment, instruments, or materials are iden- 

tified in this paper to foster understanding. Such identification does 

not imply recommendation or  endorsement by  the  National Institute 

of Standards an d Technology, no r does it imply that the  materials or 

equipment identified  re necessarily the  best available or the pur- 

pose. 

PG39 

Cylinder 

Piston 

Fig . chematic epresentation f he 5 m iston/cylinder

assembly. Both piston an d cylinder ar e made fiom single castings of 

tungsten carbide. 

Braunschweig Germany, which ha s he apability of 

measuring both diameter an d straightness of cylinders using  probe ontact echnique with high ccuracy. 

Diameters via this omparator were obtained on both 

piston an d cylinder [6]. Roundness measurements were  

obtained using other equipment at PTB. 

Other pecialized pparatus was used or uxiliary 

measurements: ) n oven/cooler fo r measurements of 

th e thermal expansion coefficient, ii) capacitance meas- 

urements between th e piston an d cylinder fo r estimates 

of th e  revice width, nd iii) ultrasound fo r measure- 

ments ofYoung's modulus of  th e piston an d cylinder. 

Rather than 

ttempt to 

determine 

he 

inear expan-

 sion coefficient of  the tungsten carbide material fo r th e 

individual omponents ith aser nterferometry or 

example, it was easier to use our expertise in pressure 

metrology nd determine he real xpansion oeffi- 

cient hrough  direct omparison of pressure with 

1 36  

Page 3: A Primary DeadWeight Tester

7/28/2019 A Primary DeadWeight Tester

http://slidepdf.com/reader/full/a-primary-deadweight-tester 3/11

Volume 08 , Number 2, March-April 2 0 0 3 

Journal of Research of th e National Institute of Standards an d Technology 

reference piston gauge. A temperature controlled envi- 

ronmental chamber (oven /cooler) was constructed fo r 

th e 35 m m  piston/cylinder assembly an d base an d w as  

used to accurately  measure th e thermal expansion coef- 

ficient of th e piston/cylinder assembly by placing PG - 

39 nside he hamber an d using another piston gage 

outside th e chamber as a reference. The chamber w as  

capable of better than +0. 005 K  stability. The tempera- 

ture of  th e chamber could be controlled between 10  °C  

an d 40 °C  using a Peltier element an d could be meas- 

ured with a calibrated  thermometer to better than +0. 02  

K. With the piston /cylinder assembly inside, however, 

th e hamber was perated nl y between 5 °C nd  

40 °C  in order to avoid possible damage to th e piston  

an d ylinder. n eneral,  onger emperature pa n 

yields a mor e accurate expansion coefficient. Thermal 

gradients within th e oven were estimated  to be less than 

+0.1 °C . 

For revice idth easurements,  apacitance 

gauge with +0.1 nF  resolution was used to measure th e 

capacitance  between th e piston an d cylinder in its pres- 

sure column. One  electrode was attached to th e base of 

th e assembly an d electrically at th e same ground poten- 

tial as th e cylinder. The other electrode w as connected 

to th e to p of th e piston through a small cu p that con- tained a tiny amount of mercury in order to minimize 

extraneous non-axial forces on th e cylinder assembly. 

The apacitance method s urrently under investiga- 

tion within th e Pressure  an d Vacuum  Group as a means 

of measuring th e clearance in other gages. 

For stimating Young's odulus, E, he peed f sound n he ungsten arbide iston w as easured 

using an  ultrasonic pulse launched at one  en d of th e pis- 

ton. From  its reflection  at th e other en d an d subsequent  

return, he pulse wa s etected nd he otal im e of 

flight was measured ro m which he peed of sound was determined. Young's modulus was obtained from  

th e speed of sound, c, an d th e density p [12]: 

E =  pc\ 1 ) 

Similar measurements were made on th e cylinder. 

planes, or four diameters on th e piston an d four diame- 

ters on th e cylinder. All diameters were measured near 

2 0 °C nd djusted o he eference emperature f 2 0 °C . A full se t of straightness data w as obtained from  

both piston nd ylinder using he omparator. See  

Fig. 2 .) Roundness data were obtained using a separate  

device. (See Fig. 3. ) 

3.1  Direct Averages  W e averaged th e diameters supplied by  PT B fo r both 

piston nd ylinder, nd hi s yielded values or he  

areas of each component at th e reference temperature  

2 0 °C : 

Aop.2o = '^^p'/4  ̂

an d 

7t(35.822 875 + 0 . 0 0 0 032)" m m V 4 , 

(2a) 

Ao,2o = 7tA'/4 »7:(35.824 31 8 + 0 . 0 0 0 017)' m m V 4 , 

(2b) 

Here D^ an d D^ are th e average diameters of  th e piston  

an d ylinder, espectively. he mbient ressure 1 atmosphere) ffective re a f he ssembly erived 

from  these measurements at 2 0 °C  is: 

' -^0p,20 * "  ̂ 0c,20, )/2 = (1007.9251  + 0 . 0 0 1 2 ) mml  

(3 ) 

The uncertainty listed represents a relative uncertainty 

of 1. 2 X  1 0 " *  (lo)  t ambient pressure an d is obtained 

from he ype  ncertainty ro m he imensional  

measurements oot um quared with he variance of 

th e mean of th e diameters. (See Tables 1-3.) The  type B uncertainties ere dded ogether lgebraically because these could be correlated. This area compares 

very favorably with th e area obtained from  dimensions 

measured by th e NIST Precision Engineering Division 

in 1989, (1007. 9 26 + 0. 011) m m ^ @ 2 0 °C  [7,8]. 

3.2   Numerically  Integrated Results 3.  Characterization From Dimensional Measurements 

The PT B measured he piston nd ylinder using 

their elatively ne w tate-of th e rt omparator 5]. 

Diameters were measured  long wo directrices tw o 

longitudes, 0° to 180° an d 90 ° to  270°) fo r both pieces. 

Diameters were obtained at tw o places in both vertical 

A ll of th e nformation, bsolute diameters  t our 

places, oundness races  t ive heights, nd traight- 

ness traces at eight

 angles was pu t together

 in th e

 form ofwhat is sometimes called a "birdcage" that represent-  

ed the piston an d another se t of information to  represent 

th e cylinder. Cylindrical harmonics were then fit to th e 

data n order o obtain nalytic unctions j^z,0) nd  

rj,z,6) fo r th e surfaces where  z is th e vertical coordinate 

1 37  

Page 4: A Primary DeadWeight Tester

7/28/2019 A Primary DeadWeight Tester

http://slidepdf.com/reader/full/a-primary-deadweight-tester 4/11

Volume 08 , Number 2, March-April 2 0 0 3 

Journal of Research of th e National Institute of Standards an d Technology 

80 

70 

60  

50  E  E , 5 4 0  at 'o  X 

30  

20  

10 

Straightness Traces PG-39 Cylinder 

-0.8   -0.6  -0.4  -0.2 Deviations,  [^m] 

0.2 .4   0.6  

Fig. 2 . traightness Traces of PG-39. Deviations from straight lines were measured  at 0 °, 45°, 90°,  35°, 80°, 225 ° , 270 ° , 

315°, nd 360°. Straightness data were coupled with absolute diameters an d the  roundness data to construct the  traces in 

this figure, which are  referenced to an absolute scale.  

138  

Page 5: A Primary DeadWeight Tester

7/28/2019 A Primary DeadWeight Tester

http://slidepdf.com/reader/full/a-primary-deadweight-tester 5/11

Volume 08 , Number 2, March-April 2 0 0 3 

Journal of Research of th e National Institute of Standards an d Technology 

Fig. 3. Roundness Traces of PG-39. Deviations ro m  ircles were measured t  levations 3.0, 8.75,  7.4, 

56.25, an d 72.0 ) m m from  th e bottom. Roundness data were coupled with absolute diameters an d the straight- ness data to construct th e traces in this figure, which ar e referenced to an absolute scale. 

an d 6 is th e azimuth angle. Using r^(z,9) an d r^{z,6), a 

numerical integration of forces acting over th e surface 

of th e piston was performed with Dadson et al.'s work 

serving as a guide [13]. These authors divide th e forces 

into three categories, ) a basal force acting upward on 

th e base of th e piston, 2 ) a vertical component of th e 

normal forces acting on th e sides of th e piston if it is 

other than 

perfectly straight

 an d vertical, 

an d 3) a force

 from viscous ga s flowing upward an d exerting  a verti- 

ca l drag on the piston. 

3.2.1  The  Piston Base, A ^ , ^ ^  The base area of th e piston, A f , ^ ^ „  w as obtained by a 

numerical integration of  th e analytical function rp(z,0): 

Aase =-Jr;(0,0)^0 =1007.865 mm^ 4) where r^iz =  0,6) is th e piston radius at th e base of th e 

piston. 

1 39  

Page 6: A Primary DeadWeight Tester

7/28/2019 A Primary DeadWeight Tester

http://slidepdf.com/reader/full/a-primary-deadweight-tester 6/11

Volume 08 , Number 2, March-April 2 0 0 3 

Journal of Research of th e National Institute of Standards an d Technology 

Table 1. Piston diameters PG-39  f fi  2 0 °C  

Z)pi(0°) 3 5 .8 228 3 m m  

Dp2(0°) 35.82293 m m  

Opi(90°) 3 5 .8 229 0 m m  

£>p2(90°) 35 . 82 2 84 m m  

1s t Average 

2 nd Average 

Max. dev. 

3 5 .8 228 8 m m  

3 5 .8 228 75 m m  

0. 00005 0 m m  

3 5 .8 228 7 m m  

1.40 X 0  m m / m m  

Variance  s 

Variance of mean 

/t(68.27%)=1.20 

k*s/n 

u(d„) 

0. 00004 8 m m  

0. 00002 4 m m  

0. 00002 9 m m  

0. 00002 9 m m  

1.34 

0.67  

O .i  Type A uncertainty Type B uncertainty 

w ( r f p )  

0. 00002 9 m m  0 .0 0 0 0 1 5 m m  

0. 000032 m m  

0.80  0.42  

0.91  

Table 2. ylinder diameters PG-39 @ 2 0 °C  

D,i(0°) 35.82433 m m  

Z),2(0°) 35.82432 m m  

O,i(90°) 3 5 .8 24 3 0 m m  

0,2(90°) 3 5 .8 24 3 2 m m  

1s t Average 

2nd Average 

Max. dev. 

35.82433 m m  

3 5 .8 24 3 1 8 m m  

0 .0 0 0 0 1 5 m m  

35.82431 m m  

0.42 X 0  m m / m m  

Variance  s 

Variance of mean 

/t(68.27%)=1.20 

k*sln 

0 .0 0 0 0 1 3 m m  

0. 000006 m m  

0. 000008  m m  

0. 000008  m m  

0.35 

0.18  

0.21  

Type A uncertainty 

Type B uncertainty 

0. 000008  m m  

0 .0 0 0 0 1 5 m m  

0. 000017 m m  

0.21  

0.42  

0.47 

Table 3. auge effective area PG-39 @ 2 0 °C  

A,s={A  ̂+  A,)l2 

Area Type  A Type   B" t o t ( ' 4 e ) =  

1 0 0 7 . 8 8 4 5  mm 0 . 0 0 1 6 1 9  mm̂  0 . 0 0 0 8 4 4  mm̂  

1 0 0 7 . 9 6 5 6  mm̂  0 . 0 0 0 4 2 5  mm̂  0 . 0 0 0 8 4 4  mm̂  

1 0 0 7 . 9 2 5 1  mm̂  0 . 0 0 0 8 3 7  mm̂  0 . 0 0 0 8 4 4  mm̂  0 . 0 0 1 1 8 9  mm̂  1 . 1 8 

1 4 0 

Page 7: A Primary DeadWeight Tester

7/28/2019 A Primary DeadWeight Tester

http://slidepdf.com/reader/full/a-primary-deadweight-tester 7/11

Volume 08 , Number 2, March-April 2 0 0 3 

Journal of Research of th e National Institute of Standards an d Technology 

3.2.2  Shape Contribution S A ^   3.2.3  Tiie Flow Contribution d4f The hange n p(z,9) with espect o height ntro- 

duces an additional vertical force given by th e follow- 

in g equation: 

Z7l 

^^s=^oj['-;(o.^)-'-;(A0)]d0/2 

dn jjP(z)-^r^(z,e)d0dz. 

(5 ) dz  

Here PQ s th e pressure at th e top, Pi is th e pressure at  

th e bottom of th e piston, an d P{z) is th e pressure as a 

function ofheight within th e crevice an d  L is th e length  

of th e revice. The ontribution o he ffective re a 

from  th e shape of  th e sides of  th e piston is then: 

The flow of ga s up through th e crevice between th e 

piston an d cylinder contributes a drag force that m u s t 

be accounted. Assuming Poiseuille flow in th e crevice  

th e drag force is: 

dP(z) 5F , »  --J d0Jdzr  ̂ ( z ,  0 )  -̂ h iz ,  0 )   (11) 

Numerically integrating Eq . (11) using th e fitting func- 

tions rJ(Z,Q) an d r^{z,6) with th e same pressure profile  

as in th e previous section an d converting th e results to  

fractional area gives: 

5Af=  5FAPi -Po ) " +0 .0 449 mml   (12) 

dA,= dFJ{Pi-P,).  (6 ) 

Numerically ntegrating he erivative f he itting 

function, drjdz, s ndicated bove using  pressure 

profile, P{z), derived from  th e Poiseuille flow equation 

gives an increase in th e effective area: 

&4,~+0.0167 mm  ̂ (7 ) with respect to th e area at th e base of  th e cylinder. The  

pressure rofile as erived ssuming n verage 

crevice width at each height 

1   z;t  hiz) =  — \hiz,e)de,  (8 ) 

where th e crevice width is h(z,9) =  r^(z,9)-r^{z,9). n 

Eq . 5)  as ensity inear n ressure as lso assumed. In this case: 

P(Z): L,  p̂ -if\ z' 

Kzf (9 ) 

where  Pi an d  /"o ar e th e pressures at th e bottom  an d th e 

to p of the crevice, respectively. The definite integral 4 

is: 

The drag force (since it is acting up-ward in this case) 

will erve o ncrease he re a of he piston by n 

amount of about 44.6 x 10"'. 

Adding th e contributions from Eqs. (4), (7 ) an d (12) 

gives: 

A =^tase + 8A, + 5Af= 1007.9267 mml  (13) 

3.2.4  Uncertainty in tiie Numerical Integration of The principal uncertainty n he numerical alcula- 

tion of ^ b a ^ ^ e , & 4„ & 4f arises from th e uncertainty in th e  

dimensional easurements nd he implifying assumptions nvolved n alculating th e pressure pro- 

file. A  sensitivity check on the integration's dependence  

on th e input parameters showed that th e uncertainty in 

th e average radius of th e piston, u{r^, produced  about a 0.43 X  1 0 " *  uncertainty in th e area of  th e gauge. A sim- 

ilar check of th e uncertainty of th e derivative drjdz ~ 

0 .4 nm , showed about a 0. 19 x 1 0 " *  contribution to th e 

uncertainty n he ffective rea. imilar ensitivity 

checks on  the radius of  th e cylinder, r„ an d drJdz, pro- 

duced 0.42  X  10"" an d 0.30 x 1 0 ^ shifts in th e effective  

area, respectively. With regard to th e calculation of th e  

pressure profile, th e simplifying assumption of Eq . (8 ) 

wa s checked by assuming instead that: 

L

':-[ dz'  (10) Kz'f 

h{z) = max[h(z,9)],

  (14) 

in Eq . 9) , with th e result that dA/A hanged by about 

0. 1 X  1 0 " *  mmVmm^. Several integrations were done in 

which th e cylinder was rotated with respect to th e pis- 

ton. his esulted n mall ifferences, 0 .1 5 x 1 0 " * . 

14 1 

Page 8: A Primary DeadWeight Tester

7/28/2019 A Primary DeadWeight Tester

http://slidepdf.com/reader/full/a-primary-deadweight-tester 8/11

Volume 08 , Number 2, March-April 2 0 0 3 

Journal of Research of th e National Institute of Standards an d Technology 

Moving th e piston an d cylinder's vertical position rela- 

tive to on e another by 3. 5 m m , resulted in a  .0  x 1 0 ~ *  

change in effective area. Root su m squaring th e seven 

contributions o he uncertainty n he  ffective rea, 

namely, u{r^), u{drj(iz), M ( r p ) , u{drj(iz), u{h), u{9p) an d 

M ( Z p  -Zj.) adds an uncertainty of 1. 2 x 1 0 " * . 

Lastly, with regard to th e flow contribution, another 

model fo r the flow wa s assumed [14] . This mode l takes 

into ccount ransition lo w within he  learance nd  

generally gives an effective re a slightly smaller than 

th e oiseuille lo w odel. hi s lternative odel 

resulted n n ffective re a .5 x 10" ' elow he  

Poiseuille flow model. The average value of th e effec- 

tive area fo r th e tw o models is: 

(1007. 9 25 2+ 0. 002 2 ) mml  (15) 

W e have taken as an uncertainty fo r mode l dependent 

crevice ffects, he tandard deviation obtained ro m  

th e tw o models which is  .8 x 1 0 " * . The uncertainty in 

Eq . 1 5) s obtained by ombining he uncertainty of 

th e numerical integration, 0 . 0 0 1 2 mm^, with th e flow- 

model uncertainty, 0. 0018 mm^ in quadrature. 

Note ha t he uncertainty given n Eq . 1 5) would 

result in an uncertainty in generated pressure of 2 .2  x 1 0 " * P. his however, does no t nclude uncertainties 

from  mass loading an d other " in  use" effects when used  

in a secondary calibration.  

Young's modulus nd Poisson's ratio 1 5] or obtained 

from alibrations o other gages. W e obtained values 

fo r Young's modulus ro m peed of sound measure- 

ments on th e piston an d cylinder [12,16]. The speed of 

sound w as measured ultrasonically nd ound o be  

(6380 + 14 0) m /s or th e piston an d (6580 ± 146) m /s 

fo r he ylinder la). ith  aterial ensity f 14  X  1 0 ^  kg/m\ Eq . (1 ) yields Young's moduh of (5.70  

± 0. 24) X  1 0 " a nd 6.06+ 0. 26 ) x 1 0 " a or he  

piston an d cylinder respectively, (Ic?). 

Jain et al. derived th e pressure coefficients fo r both 

piston an d cylinder fo r this gage using elasticity theory 

an d th e thick-wall formula [7]. (In that report th e gage 

is eferred o s IST-9.) he y se d  alue =  

8.0  X  10"'^ Pa"' fo r th e pressure coefficient of  th e gage. 

No uncertainty was given but values from calibrations 

to ther ages ield  pread f values etween 2 .8  X  10"'^ Pa"' an d 5.18  x 10"'^ Pa"'. A n axi-symmetric  

finite lement odel roduced  alue 1 0 +2.0) x 

10"'^ Pa"', based on a Young's modulus of 6. 0 x 1 0 " Pa  

an d Poisson's ratio 0 . 2 1 8 . If  one  takes a square distribu- 

tion ofvalues fo r b between th e lowest, 2 .8  x 10"'^ Pa"', 

an d ighest alues, 0x10"'̂ a"', ne btains he  

value: 

Z ) = 6.4xlO"''Pa"', 1 7)  

where th e standard uncertainty is 2.1 x 10"'^ Pa"'. 

4.  Auxiliary Measurements 4.1  Thermal Expansion Coefficient For operation of th e gage at temperatures other than 

2 0 °C hermal xpansion oefficient or he piston/cylinder assembly's area is needed. With th e spe- 

cial environmental chamber constructed to fi t th e gage, 

a coefficient was found to be : 

a =(8.754 +0.03) xlO"''/K,  (16) 

where he ncertainty epresents  overage actor 

{k= 1) . Thus when used near th e Pressure an d Vacuum  

Group's eference emperature 3 °C n dditional 

uncertainty of only (2 3 °C  - 2 0  °C ) x (0.03 x 10^/K) =  

0. 09 X  1 0 ^ is incurred.

 

4.2  Pressure Coefficient For operation of  th e gage over th e intended pressure 

range, (0.05 to 1.0) MPa, a pressure coefficient is need- 

ed . t an be stimated ro m  lasticity heory using 

4.3  Clearance The  learance,  , etween he piston nd ylinder 

ca n be determined using  variety of techniques nd  

although they do  not provide direct  help in reducing th e 

uncertainty of th e effective area, based on th e dimen- 

sional measurements, hese other measurement ech- niques an provide onsistency hecks on th e dimen- 

sional easurements. rimarily, he adial learance  

ca n be obtained from th e dimensions of th e piston an d 

cylinder, secondly  vi a fall-rate measurements an d third- 

ly vi a capacitance  measurements. 

4.3.1  Via Dimensional Measurements The dimensional measurements ea d o n verage 

clearance of : 

/ 2 D i „  = (A -D^)/2 ~ (0.721+0.016) l^m, 1 8 ) 

where A n i m  is th e clearance. The average diameters D^ 

an d /)p were determined  from  direct dimensional meas- 

urements an d were listed earlier. 

142  

Page 9: A Primary DeadWeight Tester

7/28/2019 A Primary DeadWeight Tester

http://slidepdf.com/reader/full/a-primary-deadweight-tester 9/11

Volume 08 , Number 2, March-April 2 0 0 3 

Journal of Research of th e National Institute of Standards an d Technology 

4.3.2   Via Fall-Rate Measurements Fall-rate easurements, nterpreted ith he Poiseuille flow equation fo r a uniform crevice [17,18], 

were also used to obtain th e clearance: 

12  RP^rjL  dz  

d t (P'-P:) (19) 

Here r j is th e viscosity of  th e pressure fluid (nitrogen), 

R  is th e radius of th e piston, L is th e engagement length, 

PQ nd  Pi are th e absolute pressures at th e to p an d th e 

bottom  of th e crevice respectively an d dz/dt is th e fall 

rate. his ethod as ee n se d y olinar nd  

Vatasso [19], by  Dolinskii et al. [20] an d  by Meyers an d 

Jessup [21] . 

The fall-rates at several pressures are listed in Table 

4. The clearance hp^i^ from Eq . (19) is listed in th e 4th  

column. These values fo r th e clearance ar e seen to be  

about 0 % igher ha n he alues btained ro m  

dimensional measurement, j n i m , nd from capacitance 

measurements, Q^^. See below.) However, lip-flow  

phenomena have no t been aken nto ccount n Eq . 

(19). Slip flow ha s been used before in the interpreta- tion f all-rate at a 22] nd an e mportant n 

describing lo w n narrow hannels 23]. When lip  

flow s aken nto ccount he pparent  learance s 

reduced by about 10  % : 

h Ki 

Slip 

(i+6i:,„^/:„) ,1/3  (20) 

where  K ^ ^ ^ ^ is an accommodation coefficient  taken to be  

1.0 an d K^ is th e Knudsen number, 

A  an d where X is th e mean free path, 

K  (21 ) 

\6( RJ 

2KM  <P> (22) 

Here R^ s he ga s onstant, is he hermodynamic 

temperature, M is th e molar mass of th e ga s (Nj), j is 

th e viscosity of th e ga s an d <P>  is th e average pressure 

in th e crevice. When Eqs. 2 0 ) with Eq . 2 1 ) are used 

with A p o i s j from  Eq . 19), values fo r h ^ n ^ result that are 

about 0 . 8 0 0 + 0. 110) im. This s bout 0% arger 

than  j n im , bu t within he ombined uncertainty of th e 

different techniques. Se e Table 4. 

4.3.3  Via Capacitance Measurements Lastly, learances er e etermined sing apaci- 

tance measurements [24]: 

c a p ̂̂p̂ (23)  

Here o s he permittivity of th e vacuum, K s he  

dielectric oefficient of th e pressure luid nitrogen), 

an d C  is th e measured capacitance. For th e interpreta- 

tion of th e capacitance measurements an ideal ge ome - try w as assumed, as w as th e case fo r th e interpretations  

of  th e fall-rate measurements using th e Poiseuille flow 

model. Minimal efforts were made to shield  extraneous 

signals from  th e capacitance  gauge. After transients ha d 

subsided, very stable operation was found with th e pis- 

to n only in th e column an d pressurized to a value near 

4 kPa. The piston was  llowed o loat without pin- 

ning. Values fo r the capacitance  ranged between 91 nF  

an d 96 nF. Most of th e time th e piston seemed to self- 

center or ong periods s ndicated by he measured 

capacitance, which is at a relative minimum when th e piston s entered. ro m im e o im e he values of 

capacitance  would increase dramatically indicating that 

th e piston was drifting off center. When mor e weights 

Table 4. all-rate measurements 

Absolute 

Po (kPa) 

pressures 

Pi 

(kPa) 

Fall-rates  

dz/dt 

(nm/s) ^Poise 

(nm) 

Clearances 

''Slip 

(nm) 

95.1  19 3  4 54  ±63  93 5 ±130  849  ±120 95.1  19 3  38 5 ±53  8 8 4 ±125  79 9 ±110 

10 0   24 1   4 94  ± 69   8 68  ±120  79 4 ±110 

10 0   2 85   50 2 ± 70   810±115  74 4 ± 10 5 

10 0   42 2   66 5 ± 93   76 2  ±110  71 2 ±100 

14 3 

Page 10: A Primary DeadWeight Tester

7/28/2019 A Primary DeadWeight Tester

http://slidepdf.com/reader/full/a-primary-deadweight-tester 10/11

Volume 08 , Number 2, March-April 2 0 0 3 

Journal of Research of th e National Institute of Standards an d Technology 

were added, some configurations were found to be sta- 

ble, hile thers ere nstable. he learances obtained ro m he apacitance easurements er e 

found to be : 

th e dimensional measurement within heir ombined 

standard uncertainties.  

Acknowledgments (0.725 + 0 . 0 2 0 ) |im.  (24) 

This is fo r a pressure of about 4 kP a generated by th e 

piston only. 

5.  Summary  

W e thank Dr . F . Ludicke of PT B fo r th e dimensional 

measurements, an d Dr. Archie Miiller an d Dr . Charles 

Tilford or omparisons ith he IS T ltrasonic 

Interferometer Manometer. W e  ls o hank Fred Long  

fo r help with th e speed of sound an d with th e capaci- 

tance measurements an d Jim  H ouck fo r guidance in th e 

early stages of  this project.  

W e have characterized a 35 m m dead-weight tester, 

known ithin IST s G-39, sing imensions obtained from PTB. A n effective area was obtained by  

averaging th e eight absolute diameters, four fo r th e pis- 

to n an d four fo r th e cylinder. 

In  addition a numerical integration  of forces over th e 

surface of th e piston wa s performed an d yielded a value 

about .6 X  1 0 ~ * higher ha n he imple verage. For 

this ntegration, Poiseuille lo w was ssumed n he  

crevice. A second numerical integration  was performed 

in which n  lternative mode l or lo w was ssumed 

[14] . In this case th e effective area was 0 .9  x 1 0 ~ *  lower than he imple verage. Averaging he esults of th e 

tw o numerical integrations yields an effective area 

A  ̂=  (1007. 9 25 2 + 0. 002 2) mm  ̂ (25) 

an d is th e recommended value @ 2 0 °C . The tandard  

uncertainty given here also covers th e averaged value 

obtained from th e eight absolute diameters. For trans- 

ferring this haracterization to other gages, uncertain- 

ties from  other sources will c ome into play an d are not 

covered by this uncertainty.  For use  at temperatures other than 2 0 °C , th e thermal 

expansion coefficient fo r th e effective area was meas- 

ured n our aboratory n  ontrolled nvironmental 

chamber nd as ound o e = (8.754 + 0. 03 ) x 

10^/K. 

For use at higher pressures up to  MPa, a pressure 

coefficient w as stimated using  variety of sources.  

The  recommended value is 

6 = (6.4±2.1)xlO-''Pa-  (26) 

Auxiliary measurements (based on fall rates an d capac- 

itances) were made on th e clearances between th e pis- 

to n an d cylinder. These served as checks on th e dimen- 

sional measurements. These measurements agreed with 

6.  References [1 ] . . uildner, . . timson, . . dsinger, nd . . 

Anderson, Metrologia 6,  -1 8 (1970).  

[2 ] . . ilford nd . . yland, roc. I M E KO orld 

Congress, Houston, Texas, 988; C. R.  Tilford, Proc. Workshop 

an d ymposium f he ational onference f tandards 

Laboratories, 988. 

[3 ] . E. Welch, R. E. Edsinger, B. E. Bean, an d C.  D.  Ehrlich, High 

Pressure  Metrology, G . F. Molinar, ed.. Bureau International  de s 

Poids et  Mesures Monographic 89/1 1989) p. 81 . 

[4 ] .L . M. Heydemann, C. R. Tilford, nd R. W. Hyland, .Vac. 

Sci. Technol. 4 (1), 597-605 (1977). 

[5 ] . Neugebauer, F. Ludicke, D. Bastam, H. Bosse, H. Reimann, 

an d C. Topperwien, Meas. Sci. Technol. 8, 849-856 (1977).  

[6] TB , [Report #5.31-99.148-1]. 

[7 ] . Jain, C. Ehrlich, J. Houck, an d J. K. N. Sharma, Meas. Sci. 

Technol. 4, 24 9 - 25 7 (1993). 

[8 ] alph C. Veale, Precision Engineering Division-NIST, Report  

of Calibration M3565 (1989). 

[9] . P . Johnson an d D. H. Newhall, Th e Piston Gage as a Precise  

Pressure-Measuring nstrument, ransactions f he SM E 

(1953) p. 304. 

[10] .  L.   M .  Heydemann  an d  B.   E.  Welch;  Experimental 

Thermodynamics, Vol. I, B. LeNeindre nd B. Vodar, ds., 

Butterworths, London (1975) pp .  47-201. [11] . Miiller, Private Communication. 

[12] . E. Kinsler an d A. R. Frey, Fundamentals of Acoustics, 2 nd  

Ed., John Wiley an d Sons, Inc., New York (1962). 

[13] . S. Dadson, R. G P Greig, an d  A.  H om er , Metrologia 1 (2 ) 55  

(1965). 

[14] . W. Schmidt, Y . Cen, R. G Driver, W. J. Bowers, J. C . Houck,  

S. A. Tison, an d C . D. Ehrlich, Metrologia 36 , 5 25 - 5 29 (1999). 

[15] .  M . Westergaard, heory f lasticity nd lasticity, Cambridge, Harvard University Press (1952) Chap. V. 

[16] re d Long, Private Communication. 

[17] . L. M. Poiseuille (1840) . 

[18] . P. Landau an d E. M. Lifshitz, Fluid Mechanics, Vol. 6, New  

York, Pergamon (1959). 

[19]  F Molinar an d M. Vitasso, High Temp. High Pres.  , 59  

(1976). 

[20] . F. Dolinskii, Loskutov, Polukhin, Measurement Techniques 

15 ,  . 80 Translated ro m zmeritel 'naya Tekhnika  , -8  

(1972) . 

1 44  

Page 11: A Primary DeadWeight Tester

7/28/2019 A Primary DeadWeight Tester

http://slidepdf.com/reader/full/a-primary-deadweight-tester 11/11

Volume 08 , Number 2, March-April 2 0 0 3 

Journal of Research of th e National Institute of Standards an d Technology 

[21] . H. Meyers an d R. S. Jessup, J. Res. Natl. Bur. Stand. U.S.) 

6,(1931). 

[22] 

W. 

Schmidt, 

S. 

A. 

Tison, 

nd 

C. 

D. 

Ehrlich, 

Metrologia 

36 , 565-570 (1999). 

[23] . F. Berg an d S. A. Tison, AICheE J. 47  (2), 26 3 - 270 (2001) . 

[24] . R. Reitz nd F. . Milford, Foundations of Electromagnetic 

Theory, 2 nd  Ed., Addison-Wesley Publishing Co mp a ny (1967). 

About the authors:  r.  amlesh Jain s he Head of 

th e orce nd Hardness tandards roup t he  National Physical Laboratory— India and was a guest 

researcher at  NIST. Walter  J . Bowers is a researcher in  

th e Pressure and acuum Group with NIST. ames  . 

Schmidt s  esearcher t NIST formerly n he Pressure and Vacuum Group and presently in th e Fluid Sciences Group. he National Institutes of Standards 

and echnology s n gency f he echnology  

Administration,  .S. Department ofCommerce. 

145