The Extended Cross-Float Calibration Method

eng Article in English DOI: 10.14313/PAR_261/49

send Adam Brzozowski *, Piotr Gazda **, Michał Nowicki ** * Central Office of Measures, Elektoralna 2, 00-139 Warsaw, Poland ** Warsaw University of Technology, Institute of Metrology and Biomedical Engineering, Faculty of Mechatronics

Download Article

Abstract

The Extended Cross-Float method introduced in this paper offers a faster and simpler route to calibrating pressure balances than the classical cross-float technique. Where the conventional method requires locating a hydrostatic equilibrium point through laborious, iterative mass adjustment, the proposed method removes that bottleneck entirely: it determines the effective area of the piston-cylinder assembly directly from the change in piston fall velocity, measured by laser sensors before and after a shut-off valve is opened. The measurement setup is the same standard and device-under-test arrangement already familiar to calibration laboratories, so the method is inexpensive to adopt and easy to integrate into existing workflows. Experimental validation on two purpose-built assemblies over a 10 bar to 60 bar range confirmed the working principle and demonstrated strong practical potential, both as a fast preselection tool that markedly shortens the search for the equilibrium point and as an independent check of calibration readiness. The approach is simple, low-cost, and quickly executed, and it opens a promising new route toward faster and more accessible pressure-balance calibration.

Keywords

deadweight tester calibration, extended cross-float, piston balance calibration, piston-cylinder calibration, pressure metrology

Wzorcowanie rozszerzoną metodą wzajemnego równoważenia

Streszczenie

W artykule przedstawiono rozszerzoną metodę wzajemnego równoważenia (ang. Extended Cross-Float) – nową propozycję wzorcowania zespołów tłok-cylinder ciśnieniomierzy obciążnikowo-tłokowych, stanowiącą alternatywę dla klasycznej metody równoważenia wzajemnego. W odróżnieniu od podejścia konwencjonalnego, w którym niezbędne jest doświadczalne wyznaczenie punktu równowagi hydrostatycznej w drodze iteracyjnego dobierania mas, w metodzie proponowanej przekrój czynny zespołu wzorcowanego wyznaczany jest w ujęciu dynamicznym – na podstawie zmiany prędkości opadania tłoka, rejestrowanej przed otwarciem i po otwarciu zaworu rozdzielającego. Sformułowano pełny model pomiaru wraz z odpowiadającym mu budżetem niepewności, a zasadę działania metody zweryfikowano eksperymentalnie na stanowisku badawczym w zakresie ciśnień typowym dla zastosowań laboratoryjnych. Uzyskane rezultaty potwierdzają poprawność przyjętych założeń i wskazują na potencjał metody zarówno jako narzędzia selekcji wstępnej, skracającego procedurę wzorcowania, jak i niezależnego sposobu weryfikacji uzyskanych wyników. Ograniczone wymagania aparaturowe sprawiają, że metoda może być wdrożona w istniejących stanowiskach laboratoriów wzorcujących.

Słowa kluczowe

ciśnieniomierz obciążnikowo-tłokowy, metrologia ciśnienia, rozszerzona metoda wzajemnego równoważenia, wyznaczanie przekroju czynnego, wzorcowanie, wzorcowanie zespołów tłok-cylinder

Bibliography

  1. Stock M., Davis R., de Mirandés E., Milton M.J.T., The revision of the SI – the result of three decades of progress in metrology, “Metrologia”, Vol. 56, No. 2, 2019, DOI: 10.1088/1681-7575/ab0013.
  2. Olson D.A., Driver R.G., Bowers W.J., A gas pressure scale based on primary standard piston gauges, “Journal of Research of the National Institute of Standards and Tech nology”, Vol. 115, No. 6, 2010, 393–412, DOI: 10.6028/jres.115.027.
  3. Sabuga W., Rabault T., Wüthrich C., Pražák D., Chytil M., Brouwer L., Ahmed A.D., High pressure metrology for industrial applications, “Metrologia”, Vol. 54, No. 6, 2017, DOI: 10.1088/1681-7575/aa895a.
  4. Jousten K., Hendricks J., Barker D., Douglas K., Eckel S., Egan P., Fedchak J., Flügge J., Gaiser C., Olson D., Ricker J., Rubin T., Sabuga W., Scherschligt J., Schödel R., Sterr U., Stone J., Strouse G., Perspectives for a new realization of the pascal by optical methods, “Metrologia”, Vol. 54, No. 6, 2017, DOI: 10.1088/1681-7575/aa8a4d.
  5. Gaiser C., Fellmuth B., Sabuga W., Primary gas-pressure standard from electrical measurements and thermophysical ab initio calculations, “Nature Physics”, Vol. 16, 2020, 177–180, DOI: 10.1038/s41567-019-0722-2.
  6. Sharipov F., Yang Y., Ricker J.E., Hendricks J.H., Primary pressure standard based on piston-cylinder assemblies: calculation of effective cross sectional area based on rarefied gas dynamics, “Metrologia”, Vol. 53, No. 5, 2016, DOI: 10.1088/0026-1394/53/5/1177.
  7. Sabuga W., Priruenrom T., Molinar Min Beciet G., Giovinco G., Rabault T., Wongthep P., Pražák D., FEA calculation of pressure distortion coefficients of gas-operated pressure balances – EURAMET project 1039, “Measure ment”, Vol. 45, No. 10, 2012, 2464–2468, DOI: 10.1016/j.measurement.2011.10.035.
  8. Thakur V.N., Sharipov F., Yang Y., Kumar S., Ram J., Omprakash H., Kumar H., Sharma R., Yadav S., Ashok Kumar, Evaluation of effective area of air piston gauge with limitations in piston–cylinder dimension measurements, “Metrologia”, Vol. 58, No. 3, 2021, DOI: 10.1088/1681-7575/abe222.
  9. Könemann J., Sabuga W., Pražák D., Rabault T., Wüthrich C., Final report on supplementary comparison EURAMET.M.P-S14 of hydraulic gauge pressure standards from 50 MPa to 1000 MPa, “Metrologia”, Vol. 55, No. 1A, 2018, DOI: 10.1088/0026-1394/55/1A/07008.
  10. Forssén C., Silander I., Zakrisson J., Amer E., Szabo D., Bock T., Kussike A., Rubin T., Mari D., Pasqualin S., Silvestri Z., Bentouati D., Axner O., Zelan M., Demon stration of a transportable Fabry–Pérot refractometer by a ring-type comparison of dead-weight pressure balances at four European national metrology institutes, “Sensors”, Vol. 24, No. 1, 2023, DOI: 10.3390/s24010007.
  11. Bermanec L.G., Zvizdic D., Simunovic V., Development of a method for the determination of the pressure balance piston fall rate, “Acta IMEKO”, Vol. 3, No. 2, 2014, DOI: 10.21014/acta_imeko.v3i2.105.
  12. Sharma R.K., Rab S., Kumar L., Zafer A., Yadav S., Design and development of an indigenous cross-floating pressure calibration system up to 140 MPa, “MAPAN – Journal of Metrology Society of India”, Vol. 36, No. 2, 2021, 295–303, DOI: 10.1007/s12647-021-00450-4.
  13. Rab S., Yadav S., Sharma R.K., Kumar L., Gupta V.K., Zafer A., Haleem A., Development of hydraulic cross floating valve, “Review of Scientific Instruments”, Vol. 90, No. 8, 2019, DOI: 10.1063/1.5089953.
  14. Ehlers S., Könemann J., Ott O., Wolf H., Šetina J., Furtado A., Sabuga W., Selection and characterization of liquids for a low pressure interferometric liquid column manometer, “Measurement”, Vol. 132, 2019, 191–198, DOI: 10.1016/j.measurement.2018.09.017.
  15. Hashad A.S., Ehlers S., Jusko O., Sabuga W., Characterization of a force-balanced piston gauge as a primary pressure standard, “Measurement”, Vol. 131, 2019, 723–729, DOI: 10.1016/j.measurement.2018.09.016.
  16. Singh J., Kumaraswamidhas L.A., Kaushik K., Bura N., Sharma N.D., Uncertainty analysis of distortion coefficient of piston gauge using Monte Carlo method, “MAPAN – Journal of Metrology Society of India”, Vol. 34, No. 3, 2019, 379–385, DOI: 10.1007/S12647-019-00305-z.
  17. Zafer A., Yadav S., Sanjid A., Kumar L., Sharma R.K., Volume ratio and pressure drop on hydraulic dynamic pressure calibration system, “Journal of Mechanical Science and Technology”, Vol. 31, 2017, 3769–3775, DOI: 10.1007/s12206-017-0720-1.
  18. Egan P.F., Stone J.A., Ricker J.E., Hendricks J.H., Comparison measurements of low-pressure between a laser refractometer and ultrasonic manometer, “Review of Sci entific Instruments”, Vol. 87, No. 5, 2016, DOI: 10.1063/1.4949504.
  19. Cui C., Li X., Precision nanometrology: laser interferometer, grating interferometer and time grating sensor, “Sensors”, Vol. 25, No. 21, 2025, DOI: 10.3390/s25216791.
  20. Brzozowski A., Szewczyk R., Gazda P., Nowicki M., Functional parameters of sensors for the Extended Cross-Float method, “Metrology and Measurement Systems”, Vol. 31, No. 4, 2024, 863–873, DOI: 10.24425/mms.2024.152056