通用壓力表校準(zhǔn)臺的研制

韋振華

(國營長虹機(jī)械廠，廣西桂林541003)

0 引言

在科研單位或特定現(xiàn)場，配備著大量的專用測量設(shè)備，如空氣壓縮站、氣動組合、氣源轉(zhuǎn)換裝置等，這些設(shè)備上都安裝有壓力表，其測量范圍通常為0～60MPa，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測測量設(shè)備的系統(tǒng)管路氣體壓力和顯示設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)。這些壓力表主要是彈簧管式壓力表，是彈性式壓力表中最為典型的一種。由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)和測量原理的限制，長期使用容易產(chǎn)生誤差，應(yīng)對其進(jìn)行計(jì)量確認(rèn)。在現(xiàn)場，各類專用測量設(shè)備不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量較多，而且可用于計(jì)量校準(zhǔn)的操作空間十分狹窄，導(dǎo)致非常不利于儀表的拆卸、安裝。目前國內(nèi)測量范圍在0～60 MPa的壓力校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器，其工作介質(zhì)主要為水或油，會使得校準(zhǔn)后的壓力表內(nèi)殘余一些水或油，其清理時(shí)間較長;若清理不干凈，安裝后還將造成原設(shè)備系統(tǒng)管路污染;且拆下后再次安裝時(shí)，容易出現(xiàn)系統(tǒng)管道變形和難以密封的問題。而使用氣體介質(zhì)的壓力表校準(zhǔn)設(shè)備，其測量范圍一般為0～10 MPa，無法滿足現(xiàn)場校準(zhǔn)需求。本課題旨在研制一臺通用壓力表校準(zhǔn)臺，可以不拆卸儀表的方式對0～60 MPa的壓力表進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，并且使用干燥、純凈的氣體介質(zhì)，以使校準(zhǔn)后的系統(tǒng)管路無水(油)污染風(fēng)險(xiǎn)，保證壓力表的顯示數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠;同時(shí)實(shí)現(xiàn)可拓展功能，增配數(shù)字校準(zhǔn)儀和專用軟件端后，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的存儲、處理自動化，具備較高的使用價(jià)值。

1 現(xiàn)場校準(zhǔn)原理

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，基本確定了現(xiàn)場校準(zhǔn)的可行性，以下選取一些典型設(shè)備舉例說明。

1.1 某型氣動組合

氣體管路系統(tǒng)原理如圖1所示。

在確保電磁閥F、放空閥K關(guān)閉和管路內(nèi)無殘余氣體的情況下，可在“氣體輸出”處加接管路適配器，并接上標(biāo)準(zhǔn)壓力表。然后通過控制氣源輸出氣體，比對標(biāo)準(zhǔn)壓力表和被檢表P1的示值，得到被檢表誤差，實(shí)現(xiàn)計(jì)量校準(zhǔn)。計(jì)量操作完成后拆除管路適配器和標(biāo)準(zhǔn)壓力表完成計(jì)量過程，對被測設(shè)備的氣路、儀表不會造成任何損壞。

圖1 某型氣動組合氣體管路系統(tǒng)原理圖

1.2 某型運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備

氣體管路系統(tǒng)原理如圖2所示。在確保開關(guān)F，K1，K2關(guān)閉和管路內(nèi)無殘余氣體的情況下，可在供氣口處加接管路適配器，并接上標(biāo)準(zhǔn)壓力表。計(jì)量操作同1.1。

圖2 某型運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備氣體管路系統(tǒng)原理圖

2 現(xiàn)場校準(zhǔn)方案

根據(jù)以上分析表明，專用測量設(shè)備上壓力表的現(xiàn)場校準(zhǔn)是切實(shí)可行的。本課題實(shí)施現(xiàn)場校準(zhǔn)的思路為:不拆卸壓力表，將壓力校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器(通用壓力表校準(zhǔn)臺)通過適配器與被檢壓力表所在的管路接口相連接，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)校準(zhǔn)臺或被檢設(shè)備上對應(yīng)的控制裝置，將氣體輸送到被檢表，再進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)操作。如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場校準(zhǔn)方案示意圖

要注意的是，在連接管路上不應(yīng)有產(chǎn)生升壓或降壓的元件，并且形成獨(dú)立的流通回路。

圖3中所示的適配器是一個(gè)統(tǒng)稱，要根據(jù)不同測量設(shè)備的管路接口不同而設(shè)計(jì)，包含夾具、工具、三通接頭、高壓軟管等。

3 校準(zhǔn)臺設(shè)計(jì)方案

經(jīng)研究，擬定通用壓力表校準(zhǔn)臺的研制思路:以氣壓活塞式壓力計(jì)為基礎(chǔ)，原因是其較寬的測量范圍可以實(shí)現(xiàn)輸出60 MPa的標(biāo)準(zhǔn)壓力;再配以智能壓力校驗(yàn)儀，實(shí)現(xiàn)高精度、數(shù)字化的數(shù)據(jù)測量;在人力、時(shí)間允許的情況下，編寫自動檢測軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動存儲、誤差自動計(jì)算、結(jié)果自動記錄的功能。將校準(zhǔn)臺定位成可對0～60 MPa的壓力表進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，且工作介質(zhì)為純凈的氣體，以使校準(zhǔn)后的系統(tǒng)管路無水(油)污染風(fēng)險(xiǎn)，精度等級滿足現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室技術(shù)要求的壓力校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器。

3.1 系統(tǒng)組成與原理

設(shè)計(jì)校準(zhǔn)臺主要由增壓裝置、壓力調(diào)節(jié)控制裝置組成;再增加拓展部分:用于顯示數(shù)值的測量標(biāo)準(zhǔn)、記錄數(shù)據(jù)的軟件部分;參考一般的活塞式壓力計(jì)結(jié)構(gòu)，擬配兩個(gè)被檢表接口，一個(gè)測量標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)表)接口，則可實(shí)現(xiàn)同時(shí)校準(zhǔn)兩塊被檢表。如圖4所示，校準(zhǔn)臺的工作原理為:使用外接氣源輸入預(yù)增氣體壓力，經(jīng)增壓裝置升壓后，由壓力調(diào)節(jié)控制裝置控制輸出壓力，并根據(jù)被檢壓力表校準(zhǔn)點(diǎn)壓力的大小進(jìn)行適量微調(diào)，控制輸出需要的校準(zhǔn)壓力，被檢表和測量標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)測量這一壓力值。測量標(biāo)準(zhǔn)通過RS232接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖诉M(jìn)行記錄、存儲，由軟件處理后給出校準(zhǔn)結(jié)果或打印。

圖4 校準(zhǔn)臺工作原理圖

3.2 技術(shù)參數(shù)

1)被檢表參數(shù)

被檢壓力表測量范圍在0～60 MPa，準(zhǔn)確度范圍為0.4～4級，具體可分為0.4，1.0，1.6，2.5，4.0級。

2)校準(zhǔn)臺參數(shù)

a.校準(zhǔn)臺壓力測量范圍預(yù)期達(dá)到:0～60 MPa，覆蓋被檢表測量范圍;

b.通過對測量標(biāo)準(zhǔn)的要求和計(jì)算可知，對于準(zhǔn)確度等級為0.4級的被檢表，標(biāo)準(zhǔn)表準(zhǔn)確度等級不低于0.1級;此標(biāo)準(zhǔn)表同時(shí)可用于檢定1.0級的被檢表;

c.對于1.6，2.5，4.0級的被檢壓力表，標(biāo)準(zhǔn)表的準(zhǔn)確度等級不低于0.4級即可。

校準(zhǔn)臺的測量范圍與被檢表的測量范圍相同，準(zhǔn)確度小于等于被檢表準(zhǔn)確度的四分之一，兩項(xiàng)指標(biāo)符合作為測量標(biāo)準(zhǔn)的選擇原則，符合壓力表計(jì)量法規(guī)要求。

3.3 增壓器

增壓器是通用壓力表校準(zhǔn)臺功能實(shí)現(xiàn)的重要部分，選取是否合理直接關(guān)系到設(shè)備的研制成敗，這是本課題的一大難點(diǎn)。

通過多方比較，確定定制一款增壓比為1∶25的氣體增壓器。由

可知，輸入氣壓2.4 MPa時(shí)，可輸出2.4×25=60 MPa，而現(xiàn)場的外接氣源完全滿足此輸入需要。該氣體增壓器有以下特點(diǎn):

1)為氣體驅(qū)動，具有自冷卻功能，排出的驅(qū)動氣體帶走工作時(shí)的熱量，無產(chǎn)生熱、火星和火花危險(xiǎn)，適合現(xiàn)場工作環(huán)境條件要求;

2)采取自潤滑技術(shù)，使用非金屬軸承，工作時(shí)無需額外的潤滑，避免了油液滲透污染被校系統(tǒng)管路問題，滿足設(shè)備氣路系統(tǒng)禁油的技術(shù)要求;

3)密封性能好，密封件壽命長、易維護(hù)，適合在外場長期開展計(jì)量保障工作要求;

4)僅需較小驅(qū)動氣壓就能平穩(wěn)工作，且具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠等特點(diǎn)。

3.4 增壓裝置

確定氣體增壓器后，設(shè)計(jì)增壓裝置的工作流程:外接氣源輸入氣體后，應(yīng)經(jīng)過過濾器濾除雜質(zhì);需有減壓閥使輸入氣源減壓;減壓后，通過氣體增壓器最大增至60 MPa;

考慮功能實(shí)現(xiàn)和輕捷方便的因素，設(shè)計(jì)增壓裝置由過濾器、減壓閥、精密調(diào)壓閥、截止閥、安全閥、壓力表和氣體增壓器等部件構(gòu)成。設(shè)計(jì)增壓裝置的工作原理圖，如圖5所示。

圖5 增壓裝置工作原理圖

3.5 壓力調(diào)節(jié)控制裝置

設(shè)計(jì)好增壓裝置后，校準(zhǔn)臺就可以輸出最大60 MPa的壓力值，但作為一臺計(jì)量專用設(shè)備，還應(yīng)在升壓和降壓過程中使壓力值準(zhǔn)確停在校準(zhǔn)測試點(diǎn)，而不能一直持續(xù)的升壓或降壓，要做到氣壓的準(zhǔn)確控制，需合理設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)控制裝置。

調(diào)節(jié)控制裝置的作用是控制壓力值在升壓和降壓過程中停在校準(zhǔn)測試點(diǎn)，并精確調(diào)節(jié)壓力值。因此，設(shè)計(jì)壓力調(diào)節(jié)控制裝置必需用到精密調(diào)壓閥、微調(diào)增壓器、截止閥、安全閥等部件，其工作原理:輸入氣體經(jīng)增壓裝置升壓后，由壓力調(diào)節(jié)控制裝置控制輸出壓力，并根據(jù)被檢壓力表校準(zhǔn)點(diǎn)壓力的大小進(jìn)行適量微調(diào)，控制輸出需要的校準(zhǔn)壓力，被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表同時(shí)測量這一壓力值。

3.6 總體設(shè)計(jì)

考慮產(chǎn)品的成型和最終效果，需重點(diǎn)分析考慮增壓裝置和調(diào)節(jié)控制裝置的位置安排、測量標(biāo)準(zhǔn)和被檢表安裝位置、長寬高的合適比例、制作材料等因素。經(jīng)研究分析和反復(fù)論證，將校準(zhǔn)臺內(nèi)部大致安排為兩部分:

上部置壓力調(diào)節(jié)裝置以微調(diào)輸出壓力，配輸出接口以加接被檢儀表和標(biāo)準(zhǔn)表。操作人員可站立也可坐姿，方便操作和實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)。

下部置進(jìn)氣口，配減壓閥，可將現(xiàn)場提供的氣源壓力減壓至所需預(yù)增氣源和驅(qū)動氣源壓力。將危險(xiǎn)性較大的增壓裝置置下部，進(jìn)行氣體的升壓，發(fā)生萬一也盡量降低對人員的損傷。整體工作原理圖如圖6所示。

為方便日常維護(hù)保養(yǎng)工作，箱體前、后面板均設(shè)有活動門;為便于現(xiàn)場工作時(shí)固定和移動，底板安裝兩個(gè)固定輪和兩個(gè)雙剎制式萬向輪。

3.7 材質(zhì)

箱體是校準(zhǔn)臺的外殼，同時(shí)兼具設(shè)備成型和保障操作人員安全的功能，因設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為氣體增壓輸出至60 MPa，一旦發(fā)生氣體泄漏導(dǎo)致爆炸，對操作人員將造成不可估量的損傷，經(jīng)研究對比，考慮到承壓、防爆的安全因素，達(dá)到保證增壓系統(tǒng)工作安全、防護(hù)人員，最大程度地降低系統(tǒng)管路出現(xiàn)意外對操作人員的危害的目的，結(jié)合重量不能太大，需要在現(xiàn)場方便移動的需求，確定采用厚度1.2 mm的304不銹鋼制作箱體。

圖6 整體工作原理圖

4 性能試驗(yàn)

為準(zhǔn)確評定通用壓力表校準(zhǔn)臺的性能，判定其能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要對其進(jìn)行性能試驗(yàn)。

4.1 設(shè)施和環(huán)境條件

1)試驗(yàn)環(huán)境條件和現(xiàn)場工作環(huán)境條件相同，設(shè)定為溫度:5～45℃;濕度:≤80%RH;

2)用于試驗(yàn)的被檢表為上限值60 MPa，1.6級;標(biāo)準(zhǔn)表為上限值60 MPa，0.4級;測量標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)字壓力校驗(yàn)儀，其測量范圍為0～60 MPa，準(zhǔn)確度為0.05%;均已經(jīng)過計(jì)量檢定合格，在有效期之內(nèi);

3)校準(zhǔn)臺的安全閥、高壓軟管等部件經(jīng)過檢查，處于正常狀態(tài);

4)試驗(yàn)用的氣源為清潔、干燥的氮?dú)狻?/p>

4.2 試驗(yàn)內(nèi)容

對以下四個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)，具體為:

1)增壓及壓力調(diào)節(jié)控制試驗(yàn)，對系統(tǒng)的增壓、保壓、調(diào)整降壓的功能進(jìn)行測試;

2)密封性及耐壓性試驗(yàn)，評定校準(zhǔn)臺的耐壓性和密封性;

3)波動度的試驗(yàn)，評定校準(zhǔn)臺壓力波動的大小;

4)穩(wěn)定性的試驗(yàn)，評定校準(zhǔn)臺的穩(wěn)定性。

每項(xiàng)試驗(yàn)過程都包括初始檢查、試驗(yàn)中的調(diào)整檢測、記錄、試驗(yàn)后的檢查。試驗(yàn)順序?yàn)?增壓及壓力調(diào)節(jié)控制—密封性及耐壓性—波動度—穩(wěn)定性。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過進(jìn)行增壓及壓力調(diào)節(jié)控制試驗(yàn)、密封性及耐壓性試驗(yàn)、波動度試驗(yàn)和穩(wěn)定性試驗(yàn)，以及對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，證實(shí)通用壓力表校準(zhǔn)臺的技術(shù)指標(biāo)如下:

1)輸出壓力:0～60 MPa范圍內(nèi)可調(diào);

2)測量準(zhǔn)確度:最高0.05%;

3)壓力波動度:優(yōu)于0.05%;

4)耐壓性:3 min內(nèi)壓降不大于1%;

5)穩(wěn)定性:優(yōu)于0.05%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，通用壓力表校準(zhǔn)臺滿足計(jì)量校準(zhǔn)的量值傳遞要求，其技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

通用壓力表校準(zhǔn)臺采用了二次增壓技術(shù)，通過氣動增壓器將預(yù)增氣增壓至60 MPa，同時(shí)可在特定測試點(diǎn)將輸出氣壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)和控制，解決了高壓氣體壓力表的校準(zhǔn)難題，實(shí)現(xiàn)了不拆卸儀表的現(xiàn)場校準(zhǔn)方案，同時(shí)可用作實(shí)驗(yàn)室壓力校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器。

通用壓力表校準(zhǔn)臺系自主研發(fā)，完全采用標(biāo)準(zhǔn)件、國產(chǎn)件，結(jié)構(gòu)簡潔，布局合理，牢固耐用，易于日常維護(hù)，具備較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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