無線壓力采集儀校準裝置研究

周四清，吳雙雙，曾麟，宋揚

(湖南省計量檢測研究院，湖南長沙410014)

0 引言

壓力滅菌器、高壓試驗機等壓力設(shè)備都安裝有壓力監(jiān)測儀表［1-2］。由于密封性要求以及數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，將壓力儀表拆卸后進行實驗室校準較為不便，且影響壓力容器密封性［3］。隨著無線傳感技術(shù)的發(fā)展，無線壓力數(shù)據(jù)采集儀應(yīng)用于密閉容器的壓力校準［4］。無線壓力數(shù)據(jù)采集儀的使用環(huán)境不同于常規(guī)壓力測量儀器，不具備常規(guī)壓力接口，使用最高溫度通常超過100℃［5］。

目前，無線壓力數(shù)據(jù)采集儀的校準主要在常溫下進行，將采集儀置入密閉容器，給容器施加壓力，通過比較法校準［6］。當前校準方法的缺陷主要在于校準環(huán)境與采集儀的實際使用環(huán)境溫度存在較大差異，溫度對采集儀測量結(jié)果的影響不可忽略。研制一種溫度可調(diào)的無線壓力采集儀校準裝置，是實現(xiàn)不同溫度下無線壓力采集儀校準的關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示，系統(tǒng)由壓力測試罐、恒溫器、加壓裝置、控制器等組成［7］。壓力測試罐為采集儀的校準提供一個壓力氣氛容器;加壓裝置提供氣體壓力源給壓力罐加壓;恒溫器為壓力測試罐提供恒溫環(huán)境，使校準時溫度穩(wěn)定和溫場均勻;控制器用于控制加壓系統(tǒng)、恒溫器、采集壓力測試罐傳感器數(shù)據(jù)、控制檢測流程、與上位機通信等。

圖1 校準裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

校準裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括恒溫器結(jié)構(gòu)設(shè)計、壓力測試罐結(jié)構(gòu)設(shè)計和加壓裝置設(shè)計。

2.1 恒溫器

恒溫器采用干式恒溫方式，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。恒溫器內(nèi)腔采用導熱系數(shù)很高的剛玉管以提高恒溫腔內(nèi)部的溫度均勻性。恒溫腔的剛玉管上分三段繞制鎳鉻合金材質(zhì)的加熱絲，可通過調(diào)節(jié)不同段加熱絲的加熱功率輸出進行加熱恒溫。在恒溫腔與外殼之間填充氧化鋁保溫棉，來減少熱量的耗散。

圖2 恒溫器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 壓力測試罐

壓力測試罐如圖3所示，由罐體、數(shù)字壓力計、進氣閥、排氣閥、恒溫槽和溫度傳感器組成。使用裝置時將無線壓力數(shù)據(jù)采集儀置入測試罐，將測試罐蓋擰緊保證密封后，外部壓力氣源經(jīng)進氣閥給壓力測試罐加壓。數(shù)字壓力計作為標準器指示壓力測試罐的壓力實際值，采用螺旋管與罐體連接，利用螺旋管與環(huán)境換熱作用來使螺旋管內(nèi)氣體的溫度與環(huán)境溫度相近，滿足標準器的測量環(huán)境要求;恒溫器為壓力測試罐提供一個溫度可調(diào)節(jié)的恒溫環(huán)境;溫度傳感器用來監(jiān)測恒溫腔內(nèi)溫度。

圖3 壓力測試罐結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 加壓裝置

加壓裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，由氣泵、電動氣閥、緩沖罐以及壓力變送器組成。氣泵提供氣體壓力源，電動閥門用于控制氣路的通斷，變送器用來監(jiān)測緩沖罐內(nèi)壓力。氣泵啟動后給壓力緩沖罐加壓至一定壓力值，關(guān)閉進氣閥門;然后打開放氣閥門將壓力氣體輸送給測試罐，緩沖罐內(nèi)氣壓達到預(yù)定值時，關(guān)閉放氣閥。采用緩沖罐的結(jié)構(gòu)減少氣泵加壓時氣壓波動的影響，可以更好地實現(xiàn)壓力平穩(wěn)控制。

圖4 加壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 控制策略與方法

3.1 溫度控制

恒溫器采用干式恒溫器，為保證溫度均勻性，采用三段式控溫。三段式控溫是將整個控溫區(qū)域分為上控溫區(qū)(A 段)、恒溫區(qū)(B 段)、下控溫區(qū)(C 段)來控制。三段式控溫可以根據(jù)不同溫度下熱流來調(diào)整控制，通過控制上下控溫區(qū)的溫度來保證恒溫區(qū)的溫度均勻性。

溫度控制采用目標值逐步逼近的PID 控制方式，以減小溫度控制超調(diào)。恒溫區(qū)最終控制目標為設(shè)定溫度值，上下控溫區(qū)跟隨恒溫的溫度進行隨動控制，以提高恒溫區(qū)的溫度均勻性和穩(wěn)定性。圖5 為溫度控制子程序圖。

3.2 壓力控制

壓力控制通過空壓泵對緩沖罐輸入一定壓力的氣體，然后根據(jù)測試罐中的需要打開閥門，釋放壓力氣體進入測試管，使測試罐的壓力達到設(shè)定目標值。設(shè)測試管的壓力為p0、體積為V0、溫度為T0，測試管壓力目標值為p0';緩沖罐的壓力為p1、體積為V1、溫度為T1，加壓過程緩沖罐的壓力變化值為Δp1。緩沖罐向測試罐加壓的過程可以根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程按照式(1)控制緩沖罐的壓力，實現(xiàn)控制目標值。

圖5 溫度控制子程序

為了提高加壓準確度，可以采用步進方式進行加壓，逐步提高到目標值，根據(jù)實際偏差對每一步進行適度調(diào)整［8］。

4 測量軟件流程

裝置主流程如圖6所示，首先初始化傳感器、壓力罐、溫度測量控制等，測試系統(tǒng)工作是否正常。設(shè)置校準溫度點和壓力值后，開始控制溫度;當溫度達到目標值時，給壓力罐加壓至目標壓力;等待壓力罐內(nèi)溫度平衡、壓力穩(wěn)定后開始比較法測量，測量完成即可開始下一個校準點的壓力測量。

5 試驗結(jié)果

采用本文研制的校準裝置對三支某進口廠家標稱引用誤差為0.4%的無線壓力采集儀進行校準。

測量標準選用0.02 級的數(shù)字壓力計，分別在室溫、50℃，110℃下進行測量，測量結(jié)果見表1。通過對測量結(jié)果進行不確定度評定，可得其擴展不確定度為0.06%。由試驗結(jié)果和不確定度可以看出，試驗結(jié)果符合校準要求。

圖6 測試流程圖

表1 試驗結(jié)果

6 結(jié)束語

本文為解決非常規(guī)環(huán)境溫度下壓力測量用的無線壓力采集儀的校準，介紹了采用三段控溫的干式恒溫爐以及自動壓力調(diào)節(jié)的無線壓力采集儀校準裝置的設(shè)計與制作，實現(xiàn)了不同溫度下無線壓力采集儀的校準，使校準結(jié)果更加符合應(yīng)用環(huán)境。目前市場上的無線壓力數(shù)據(jù)采集儀準確度等級為0.4 級，試驗結(jié)果表明，該裝置功能及測量不確定度滿足無線壓力采集儀對校準裝置的要求。

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