通用壓力表校準(zhǔn)臺(tái)的研制
介紹了一種基于現(xiàn)場(chǎng)條件的壓力表校準(zhǔn)方案，主要實(shí)現(xiàn)手段是研制一臺(tái)通用壓力表校準(zhǔn)臺(tái)，可對(duì)測(cè) 量范圍為0 ~60 MPa的壓力表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，且工作介質(zhì)為純凈的氣體，以使校準(zhǔn)壓力表后的測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)管路 無(wú)水（油）污染風(fēng)險(xiǎn)。
0.引言
在科研單位或特定現(xiàn)場(chǎng)，配備著大量的專(zhuān)用測(cè)量 設(shè)備，如空氣壓縮站、氣動(dòng)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(cè)量范圍通常為0~ 60MPa,用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)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(cè)量原理的限制，長(zhǎng)期使用容易產(chǎn)生誤 差，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行計(jì)量確認(rèn)。在現(xiàn)場(chǎng)，各類(lèi)專(zhuān)用測(cè)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(guó)內(nèi)測(cè)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(huì)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(zhǎng)；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(wèn) 題。而使用氣體介質(zhì)的壓力表校準(zhǔn)設(shè)備，其測(cè)量范圍 一般為0~10MPa，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)需求。本課題旨 在研制一臺(tái)通用壓力表校準(zhǔn)臺(tái)，可以不拆卸儀表的方 式對(duì)0 ~60 MPa的壓力表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(wú)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(zhuān)用軟件端 后，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的存儲(chǔ)、處理自動(dòng)化，具備較高 的使用價(jià)值。
1.現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)原理
經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，基本確定了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的可行性， 以下選取一些典型設(shè)備舉例說(shuō)明。
1.1某型氣動(dòng)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(wú)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(guò)控制氣源輸出氣體，比 對(duì)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(guò)程，對(duì)被測(cè)設(shè)備的氣路、儀表不 會(huì)造成任何損壞。
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(kāi)關(guān)F，Kl，K2關(guān)閉和管路內(nèi)無(wú)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。
2.現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方案
根據(jù)以上分析表明，專(zhuān)用測(cè)量設(shè)備上壓力表的現(xiàn) 場(chǎng)校準(zhǔn)是切實(shí)可行的。本課題實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)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(tái)）通過(guò)適配器與被檢壓力表所在的管路接口相連接， 然后經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)校準(zhǔn)臺(tái)或被檢設(shè)備上對(duì)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。
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(chēng)，要根據(jù)不同測(cè) 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(tái)設(shè)計(jì)方案
經(jīng)研究，擬定通用壓力表校準(zhǔn)臺(tái)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(cè)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(cè)量；在人力、時(shí) 間允許的情況下，編寫(xiě)自動(dòng)檢測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng) 存儲(chǔ)、誤差自動(dòng)計(jì)算、結(jié)果自動(dòng)記錄的功能。將校準(zhǔn) 臺(tái)定位成可對(duì)0 ~ 60 MPa的壓力表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(wú)水 (油）污染風(fēng)險(xiǎn)，精度等級(jí)滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)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(tái)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(cè)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(cè)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(tái) 的工作原理為：使用外接氣源輸人預(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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)測(cè) 量這一壓力值。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)RS232接口將數(shù)據(jù)傳輸 到軟件端進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)，由軟件處理后給出校準(zhǔn)結(jié) 果或打印。
3.2技術(shù)參數(shù)
1)被檢表參數(shù)
被檢壓力表測(cè)量范圍在0 ~60 MPa,準(zhǔn)確度范圍為 0_4 ?4 級(jí)，具體可分為 0.4, 1.0, 1.6, 2.5, 4_ 0 級(jí)。
2)校準(zhǔn)臺(tái)參數(shù)
校準(zhǔn)臺(tái)壓力測(cè)量范圍預(yù)期達(dá)到：0~60MPa，覆 蓋被檢表測(cè)量范圍；
通過(guò)對(duì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的要求和計(jì)算可知，對(duì)于準(zhǔn)確 度等級(jí)為0.4級(jí)的被檢表，標(biāo)準(zhǔn)表準(zhǔn)確度等級(jí)不低于 0. 1級(jí)；此標(biāo)準(zhǔn)表同時(shí)可用于檢定1. 0級(jí)的被檢表；
對(duì)于1.6, 2.5, 4.0級(jí)的被檢壓力表，標(biāo)準(zhǔn)表 的準(zhǔn)確度等級(jí)不低于0. 4級(jí)即可。
校準(zhǔn)臺(tái)的測(cè)量范圍與被檢表的測(cè)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(cè)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(tái)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(guò)多方比較，確定定制一款增壓比為1:25的氣 體增壓器。由
輸出氣壓=輸人氣壓x增壓比可知，輸人氣壓2.4 MPa時(shí)，可輸出2.4 x 25 =60 MPa,而現(xiàn)場(chǎng)的外接氣源完全滿(mǎn)足此輸入需要。該氣 體增壓器有以下特點(diǎn)：
為氣體驅(qū)動(dòng)，具有自冷卻功能，排出的驅(qū)動(dòng)氣 體帶走工作時(shí)的熱量，無(wú)產(chǎn)生熱、火星和火花危險(xiǎn)， 適合現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境條件要求；
采取自潤(rùn)滑技術(shù)，使用非金屬軸承，工作時(shí)無(wú) 需額外的潤(rùn)滑，避免了油液滲透污染被校系統(tǒng)管路問(wèn) 題，滿(mǎn)足設(shè)備氣路系統(tǒng)禁油的技術(shù)要求；
密封性能好，密封件壽命長(zhǎng)、易維護(hù)，適合在 外場(chǎng)長(zhǎng)期開(kāi)展計(jì)量保障工作要求；
僅需較小驅(qū)動(dòng)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(guò)過(guò)濾器濾除雜質(zhì)；需有 減壓閥使輸入氣源減壓；減壓后，通過(guò)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(guò)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。
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(tái)就可以輸出最大60 MPa的壓力值，但作為一臺(tái)計(jì)量專(zhuān)用設(shè)備，還應(yīng)在升 壓和降壓過(guò)程中使壓力值準(zhǔn)確停在校準(zhǔn)測(cè)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(guò)程中停在校準(zhǔn)測(cè)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(cè)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和被檢 表安裝位置、長(zhǎng)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(tái)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(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。
下部置進(jìn)氣口，配減壓閥，可將現(xiàn)場(chǎng)提供的氣源 壓力減壓至所需預(yù)增氣源和驅(qū)動(dòng)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(wàn)一 也盡量降低對(duì)人員的損傷。整體工作原理圖如團(tuán)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(dòng)門(mén)；為便于現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)固定和移動(dòng)，底板安裝 兩個(gè)固定輪和兩個(gè)雙剎制式萬(wàn)向輪。
3.7材質(zhì)
箱體是校準(zhǔn)臺(tái)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, —旦發(fā)生氣體泄漏導(dǎo)致爆炸，對(duì)操作人 員將造成不可估量的損傷，經(jīng)研究對(duì)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(duì)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(chǎng)方便 移動(dòng)的需求，確定采用厚度1. 2 mm的304不銹鋼制作 箱體。
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4.性能試驗(yàn)
為準(zhǔn)確評(píng)定通用壓力表校準(zhǔn)臺(tái)的性能，判定其能 否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)其進(jìn)行性能試驗(yàn)。
4.1設(shè)施和環(huán)境條件
試驗(yàn)環(huán)境條件和現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境條件相同，設(shè)定 為溫度：濕度：備80%RH;
用于試驗(yàn)的被檢表為上限值60 MPa, 1.6級(jí)； 標(biāo)準(zhǔn)表為上限值60 MPa，0.4級(jí)；測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)字壓 力校驗(yàn)儀，其測(cè)量范圍為0 ~ 60 MPa,準(zhǔn)確度為 0.05%;均已經(jīng)過(guò)計(jì)量檢定合格，在有效期之內(nèi)；
校準(zhǔn)臺(tái)的安全閥、高壓軟管等部件經(jīng)過(guò)檢查， 處于正常狀態(tài)；
試驗(yàn)用的氣源為清潔、干燥的氮?dú)狻?
4.2試驗(yàn)內(nèi)容
對(duì)以下四個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)，具體為：
增壓及壓力調(diào)節(jié)控制試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的增壓、保 壓、調(diào)整降壓的功能進(jìn)行測(cè)試；
密封性及耐壓性試驗(yàn)，評(píng)定校準(zhǔn)臺(tái)的耐壓性和 密封性；
波動(dòng)度的試驗(yàn)，評(píng)定校準(zhǔn)臺(tái)壓力波動(dòng)的大??；
穩(wěn)定性的試驗(yàn)，評(píng)定校準(zhǔn)臺(tái)的穩(wěn)定性。
每項(xiàng)試驗(yàn)過(guò)程都包括初始檢查、試驗(yàn)中的調(diào)整檢 測(cè)、記錄、試驗(yàn)后的檢查。試驗(yàn)順序?yàn)椋涸鰤杭皦毫?/span> 調(diào)節(jié)控制一密封性及耐壓性一波動(dòng)度一穩(wěn)定性。
4.3試驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)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(dòng)度試驗(yàn)和穩(wěn)定性試驗(yàn)，以及對(duì)試驗(yàn)數(shù) 據(jù)的分析，證實(shí)通用壓力表校準(zhǔn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)如下：
輸出壓力：0~60 MPa范圍內(nèi)可調(diào)；
測(cè)量準(zhǔn)確度：最高0.05%;
壓力波動(dòng)度：優(yōu)于0.05%;
耐壓性：3 min內(nèi)壓降不大于1% ;
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(tái)滿(mǎn)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(tái)采用了二次增壓技術(shù)，通過(guò)氣 動(dòng)增壓器將預(yù)增氣增壓至60 MPa，同時(shí)可在特定測(cè)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(chǎng)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(tái)系自主研發(fā)，完全采用標(biāo)準(zhǔn)件、 國(guó)產(chǎn)件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。
