通用壓力表校準(zhǔn)臺的研制
介紹了一種基于現(xiàn)場條件的壓力表校準(zhǔn)方案，主要實(shí)現(xiàn)手段是研制一臺通用壓力表校準(zhǔn)臺，可對測 量范圍為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)壓力表后的測量設(shè)備系統(tǒng)管路 無水（油）污染風(fēng)險(xiǎn)。
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，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0~10MPa，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。
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，Kl，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。
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。
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 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)， 擬配兩個被檢表接口，一個測量標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)表）接口， 則可實(shí)現(xiàn)同時校準(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，被檢表和測量標(biāo)準(zhǔn)同時測 量這一壓力值。測量標(biāo)準(zhǔn)通過RS232接口將數(shù)據(jù)傳輸 到軟件端進(jìn)行記錄、存儲，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)
校準(zhǔn)臺壓力測量范圍預(yù)期達(dá)到：0~60MPa，覆 蓋被檢表測量范圍；
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)表同時可用于檢定1. 0級的被檢表；
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
輸出氣壓=輸人氣壓x增壓比可知，輸人氣壓2.4 MPa時，可輸出2.4 x 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)：
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；
采取自潤滑技術(shù)，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(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、易維護(hù)，適合在 外場長期開展計(jì)量保障工作要求；
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。
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(zhì)
箱體是校準(zhǔn)臺的外殼，同時兼具設(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。
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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
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：濕度：備80%RH;
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)；
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)；
試驗(yàn)用的氣源為清潔、干燥的氮?dú)狻?
4.2試驗(yàn)內(nèi)容
對以下四個項(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)，對系統(tǒng)的增壓、保 壓、調(diào)整降壓的功能進(jìn)行測試；
密封性及耐壓性試驗(yàn)，評定校準(zhǔn)臺的耐壓性和 密封性；
波動度的試驗(yàn)，評定校準(zhǔn)臺壓力波動的大??；
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)椋涸鰤杭皦毫?/span> 調(diào)節(jié)控制一密封性及耐壓性一波動度一穩(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：
輸出壓力：0~60 MPa范圍內(nèi)可調(diào)；
測量準(zhǔn)確度：最高0.05%;
壓力波動度：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。
