通用壓力表校準臺的研制

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，用以實時監測測量設備的系統管路氣體壓力和顯示設備的當前工作狀態。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。在現場，各類專用測量設備不僅結構復雜、數量較多，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管路污染;且拆下后再次安裝時，容易出現系統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的壓力表進行現場校準，并且使用干燥、純凈的氣體介質，以使校準后的系統管路無水(油)污染風險，保證壓力表的顯示數據準確、可靠;同時實現可拓展功能，增配數字校準儀和專用軟件端后，可實現數據記錄的存儲、處理自動化，具備較高的使用價值。

1 現場校準原理

經過現場調研，基本確定了現場校準的可行性，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原理圖

1.2 某型運轉設備

氣體管路系統原理如圖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原理圖

2 現場校準方案

根據以上分析表明，專用測量設備上壓力表的現場校準是切實可行的。本課題實施現場校準的思路為: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輸出60 MPa的標準壓力;再配以智能壓力校驗儀，實現高精度、數字化的數據測量;在人力、時間允許的情況下，編寫自動檢測軟件，實現數據自動存儲、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的壓力表進行現場校準，且工作介質為純凈的氣體，以使校準后的系統管路無水(油)污染風險，精度等級滿足現場和實驗室技術要求的壓力校準標準器。

3.1 系統組成與原理

設計校準臺主要由增壓裝置、壓力調節控制裝置組成;再增加拓展部分:用于顯示數值的測量標準、記錄數據的軟件部分;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接口將數據傳輸到軟件端進行記錄、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

1)被檢表參數

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

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要求。

3.3 增壓器

增壓器是通用壓力表校準臺功能實現的重要部分，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，適合現場工作環境條件要求;

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管路問題，滿足設備氣路系統禁油的技術要求;

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，而不能一直持續的升壓或降壓，要做到氣壓的準確控制，需合理設計調節控制裝置。

調節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，并精確調節壓力值。因此，設計壓力調節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據。

下部置進氣口，配減壓閥，可將現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工作，箱體前、后面板均設有活動門;為便于現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，達到保證增壓系統工作安全、防護人員，最大程度地降低系統管路出現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 設施和環境條件

1)試驗環境條件和現場工作環境條件相同，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;

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)增壓及壓力調節控制試驗，對系統的增壓、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)穩定性的試驗，評定校準臺的穩定性。

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:增壓及壓力調節控制—密封性及耐壓性—波動度—穩定性。

4.3 試驗結果

通過進行增壓及壓力調節控制試驗、密封性及耐壓性試驗、波動度試驗和穩定性試驗，以及對試驗數據的分析，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:優于0.05%;

4)耐壓性:3 min內壓降不大于1%;

5)穩定性:優于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定調節和控制，解決了高壓氣體壓力表的校準難題，實現了不拆卸儀表的現場校準方案，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，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。

［1］王寶君，劉欣菊，劉寶琦.壓力校準技術及應用介紹［J］.計測技術，2008，28(3):64-66.

［2］趙景英.壓力表校準技術的應用［J］.品牌與標準化，2010(4):46.

［3］焦旭宏.壓力表現場檢定校準的發展［J］.品牌與標準化，2011(22):40-41.

［4］李江云.對現場校準的一點體會［J］.中國計量，2010(7):58-58.

［5］成志堯.壓力計量測試技術的發展方向和現場壓力校準［J］.中國儀器儀表，2000(2):1-2.

［6］宋曉松.液壓與氣壓傳動［M］.北京:科學出版社，2007.

［7］武安明.力儀表校準自動化與計量管理智能化系統［J］.中國計量，2007(7):49-51.