韋振華

(國營長虹機械廠，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備，如空氣壓縮站、氣動組合、氣源轉換裝置等，這些設備上都安裝有壓力表，其測量范圍通常為0～60MPa，用以實時監(jiān)測測量設備的系統(tǒng)管路氣體壓力和顯示設備的當前工作狀態(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。由于其機械結構和測量原理的限制，長期使用容易產生誤差，應對其進行計量確認。在現(xiàn)場，各類專用測量設備不僅結構復雜、數(shù)量較多，而且可用于計量校準的操作空間十分狹窄，導致非常不利于儀表的拆卸、安裝。目前國內測量范圍在0～60 MPa的壓力校準標準器，其工作介質主要為水或油，會使得校準后的壓力表內殘余一些水或油，其清理時間較長;若清理不干凈，安裝后還將造成原設備系統(tǒng)管路污染;且拆下后再次安裝時，容易出現(xiàn)系統(tǒng)管道變形和難以密封的問題。而使用氣體介質的壓力表校準設備，其測量范圍一般為0～10 MPa，無法滿足現(xiàn)場校準需求。本課題旨在研制一臺通用壓力表校準臺，可以不拆卸儀表的方式對0～60 MPa的壓力表進行現(xiàn)場校準，并且使用干燥、純凈的氣體介質，以使校準后的系統(tǒng)管路無水(油)污染風險，保證壓力表的顯示數(shù)據準確、可靠;同時實現(xiàn)可拓展功能，增配數(shù)字校準儀和專用軟件端后，可實現(xiàn)數(shù)據記錄的存儲、處理自動化，具備較高的使用價值。

1 現(xiàn)場校準原理

經過現(xiàn)場調研，基本確定了現(xiàn)場校準的可行性，以下選取一些典型設備舉例說明。

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關閉和管路內無殘余氣體的情況下，可在“氣體輸出”處加接管路適配器，并接上標準壓力表。然后通過控制氣源輸出氣體，比對標準壓力表和被檢表P1的示值，得到被檢表誤差，實現(xiàn)計量校準。計量操作完成后拆除管路適配器和標準壓力表完成計量過程，對被測設備的氣路、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 某型運轉設備

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

圖2 某型運轉設備氣體管路系統(tǒng)原理圖

2 現(xiàn)場校準方案

根據以上分析表明，專用測量設備上壓力表的現(xiàn)場校準是切實可行的。本課題實施現(xiàn)場校準的思路為:不拆卸壓力表，將壓力校準標準器(通用壓力表校準臺)通過適配器與被檢壓力表所在的管路接口相連接，然后經過調節(jié)校準臺或被檢設備上對應的控制裝置，將氣體輸送到被檢表，再進行計量校準操作。如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場校準方案示意圖

要注意的是，在連接管路上不應有產生升壓或降壓的元件，并且形成獨立的流通回路。

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

3 校準臺設計方案

經研究，擬定通用壓力表校準臺的研制思路:以氣壓活塞式壓力計為基礎，原因是其較寬的測量范圍可以實現(xiàn)輸出60 MPa的標準壓力;再配以智能壓力校驗儀，實現(xiàn)高精度、數(shù)字化的數(shù)據測量;在人力、時間允許的情況下，編寫自動檢測軟件，實現(xiàn)數(shù)據自動存儲、誤差自動計算、結果自動記錄的功能。將校準臺定位成可對0～60 MPa的壓力表進行現(xiàn)場校準，且工作介質為純凈的氣體，以使校準后的系統(tǒng)管路無水(油)污染風險，精度等級滿足現(xiàn)場和實驗室技術要求的壓力校準標準器。

3.1 系統(tǒng)組成與原理

設計校準臺主要由增壓裝置、壓力調節(jié)控制裝置組成;再增加拓展部分:用于顯示數(shù)值的測量標準、記錄數(shù)據的軟件部分;參考一般的活塞式壓力計結構，擬配兩個被檢表接口，一個測量標準(標準表)接口，則可實現(xiàn)同時校準兩塊被檢表。如圖4所示，校準臺的工作原理為:使用外接氣源輸入預增氣體壓力，經增壓裝置升壓后，由壓力調節(jié)控制裝置控制輸出壓力，并根據被檢壓力表校準點壓力的大小進行適量微調，控制輸出需要的校準壓力，被檢表和測量標準同時測量這一壓力值。測量標準通過RS232接口將數(shù)據傳輸?shù)杰浖诉M行記錄、存儲，由軟件處理后給出校準結果或打印。

圖4 校準臺工作原理圖

3.2 技術參數(shù)

1)被檢表參數(shù)

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

2)校準臺參數(shù)

a.校準臺壓力測量范圍預期達到:0～60 MPa，覆蓋被檢表測量范圍;

b.通過對測量標準的要求和計算可知，對于準確度等級為0.4級的被檢表，標準表準確度等級不低于0.1級;此標準表同時可用于檢定1.0級的被檢表;

c.對于1.6，2.5，4.0級的被檢壓力表，標準表的準確度等級不低于0.4級即可。

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

3.3 增壓器

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

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，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:

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

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

3)密封性能好，密封件壽命長、易維護，適合在外場長期開展計量保障工作要求;

4)僅需較小驅動氣壓就能平穩(wěn)工作，且具有體積小、重量輕、結構緊湊、工作可靠等特點。

3.4 增壓裝置

確定氣體增壓器后，設計增壓裝置的工作流程:外接氣源輸入氣體后，應經過過濾器濾除雜質;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;

考慮功能實現(xiàn)和輕捷方便的因素，設計增壓裝置由過濾器、減壓閥、精密調壓閥、截止閥、安全閥、壓力表和氣體增壓器等部件構成。設計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 壓力調節(jié)控制裝置

設計好增壓裝置后，校準臺就可以輸出最大60 MPa的壓力值，但作為一臺計量專用設備，還應在升壓和降壓過程中使壓力值準確停在校準測試點，而不能一直持續(xù)的升壓或降壓，要做到氣壓的準確控制，需合理設計調節(jié)控制裝置。

調節(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測試點，并精確調節(jié)壓力值。因此，設計壓力調節(jié)控制裝置必需用到精密調壓閥、微調增壓器、截止閥、安全閥等部件，其工作原理:輸入氣體經增壓裝置升壓后，由壓力調節(jié)控制裝置控制輸出壓力，并根據被檢壓力表校準點壓力的大小進行適量微調，控制輸出需要的校準壓力，被檢表和標準表同時測量這一壓力值。

3.6 總體設計

考慮產品的成型和最終效果，需重點分析考慮增壓裝置和調節(jié)控制裝置的位置安排、測量標準和被檢表安裝位置、長寬高的合適比例、制作材料等因素。經研究分析和反復論證，將校準臺內部大致安排為兩部分:

上部置壓力調節(jié)裝置以微調輸出壓力，配輸出接口以加接被檢儀表和標準表。操作人員可站立也可坐姿，方便操作和實時觀測數(shù)據。

下部置進氣口，配減壓閥，可將現(xiàn)場提供的氣源壓力減壓至所需預增氣源和驅動氣源壓力。將危險性較大的增壓裝置置下部，進行氣體的升壓，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。

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

3.7 材質

箱體是校準臺的外殼，同時兼具設備成型和保障操作人員安全的功能，因設計技術指標為氣體增壓輸出至60 MPa，一旦發(fā)生氣體泄漏導致爆炸，對操作人員將造成不可估量的損傷，經研究對比，考慮到承壓、防爆的安全因素，達到保證增壓系統(tǒng)工作安全、防護人員，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

為準確評定通用壓力表校準臺的性能，判定其能否達到設計要求，需要對其進行性能試驗。

4.1 設施和環(huán)境條件

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

2)用于試驗的被檢表為上限值60 MPa，1.6級;標準表為上限值60 MPa，0.4級;測量標準為數(shù)字壓力校驗儀，其測量范圍為0～60 MPa，準確度為0.05%;均已經過計量檢定合格，在有效期之內;

3)校準臺的安全閥、高壓軟管等部件經過檢查，處于正常狀態(tài);

4)試驗用的氣源為清潔、干燥的氮氣。

4.2 試驗內容

對以下四個項目進行試驗，具體為:

1)增壓及壓力調節(jié)控制試驗，對系統(tǒng)的增壓、保壓、調整降壓的功能進行測試;

2)密封性及耐壓性試驗，評定校準臺的耐壓性和密封性;

3)波動度的試驗，評定校準臺壓力波動的大小;

4)穩(wěn)定性的試驗，評定校準臺的穩(wěn)定性。

每項試驗過程都包括初始檢查、試驗中的調整檢測、記錄、試驗后的檢查。試驗順序為:增壓及壓力調節(jié)控制—密封性及耐壓性—波動度—穩(wěn)定性。

4.3 試驗結果

通過進行增壓及壓力調節(jié)控制試驗、密封性及耐壓性試驗、波動度試驗和穩(wěn)定性試驗，以及對試驗數(shù)據的分析，證實通用壓力表校準臺的技術指標如下:

1)輸出壓力:0～60 MPa范圍內可調;

2)測量準確度:最高0.05%;

3)壓力波動度:優(yōu)于0.05%;

4)耐壓性:3 min內壓降不大于1%;

5)穩(wěn)定性:優(yōu)于0.05%。

試驗結果表明，通用壓力表校準臺滿足計量校準的量值傳遞要求，其技術指標符合設計要求。

5 結論

通用壓力表校準臺采用了二次增壓技術，通過氣動增壓器將預增氣增壓至60 MPa，同時可在特定測試點將輸出氣壓穩(wěn)定調節(jié)和控制，解決了高壓氣體壓力表的校準難題，實現(xiàn)了不拆卸儀表的現(xiàn)場校準方案，同時可用作實驗室壓力校準標準器。

通用壓力表校準臺系自主研發(fā)，完全采用標準件、國產件，結構簡潔，布局合理，牢固耐用，易于日常維護，具備較好的經濟價值。

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