液壓脈沖綜合檢定裝置的設計與開發

吳春梅，劉開緒，侯新宇，張為民，董鵬，李博，張占勝，譚淑梅

（1.大慶師范學院 機電工程學院，黑龍江大慶，163712；2.大慶黑帝廟稠油試采技術開發有限公司，黑龍江大慶，163712；3.西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川瀘州，646000；4.大慶油田技術監督中心，黑龍江大慶，163712）

0 引言

根據調研了解，對于抗（耐）震壓力表的檢測裝置的研究開發，在國內外均沒有廣泛開展，在2009年由北京斯貝克公司生產了一臺SPMK991Z耐抗振壓力表校驗臺并申請專利，在西安市高精密儀表廠生產了一臺耐震壓力表檢定臺，同時查閱文獻在大科技期刊的2011.02期發表文章耐震壓力表的技術規范及測試方法一文中介紹了壓力表的特性及工作原理，并從外觀、耐震性等方面闡述了壓力表的一些技術要求，并說明了測試的過程和方法。在2013年儀表電氣期刊中由張闖發表了一篇耐震壓力表檢定系統的分析，在文中介紹了耐震壓力表系統的組成，測量范圍為0～100MPa，同時采用PID算法閉環控制比例溢流閥，開環控制電機采用攝像頭實時采集壓力表示數。現在我所現使用的就是由北京斯貝克公司生產的產品，但由于開發存在問題，設備不能滿足規范要求，從技術角度已經落后，其他科研單位和行業廠家現有開發此項目技術都差不多，都不能滿足現在油田上要同時自動檢定多塊抗震壓力表的需要，都無法實現信息及時傳輸、數據共享等要求，故立項研究開發抗（耐）震壓力表的檢測裝置是必要的。

1 整體設計

1.1 三維振動臺的設計

為了產生振動，設計獨立于造壓裝置之外的三維振臺，液壓連接采用超高壓軟管連接，振臺的振動頻率和振幅可調，電參數進測控系統與壓力信號同步獲取記錄，保證各參數可追溯。按照用戶對振動臺的要求：振動頻率10Hz～60Hz,振幅0.15mm，可同時進行X、Y、Z三個方向的振動測試。通過AC-DA-AC二次變換技術實現振動頻率可調。

為了產生振動，設計獨立于造壓裝置之外的三維振臺。圖1是三維震動裝置模型，任務落實后需要與壓力表座、脈動源結合進行整體設計。

圖1 三維振動裝置

最終達到的技術指標如表1所示。

表1

三維振臺與液壓測試數據連接采用超高壓軟管連接，振臺的振動頻率和振幅可調，電參數進測控系統與壓力信號同步獲取記錄。

1.2 高壓脈沖及低壓脈沖裝置

高壓脈沖裝置和低壓脈沖裝置采用氣驅液方案基于力平衡控壓原理，采用氣體當做驅動源，同時采用大變比活塞，實現了高低壓的檢測。

(1)預壓過程：保持電動截止閥9開啟狀態，關閉泄壓閥10，啟動預壓液泵7，系統開始升壓，當壓力接近第一個鑒定點時關閉電動截止閥9，即完成預壓過程。液體過濾器8對液體介質如變壓器油進行過濾。

(2)加壓和檢定點控制過程：開啟進氣電磁閥3，氣體進入增壓缸前端，系統開始升壓，通過進氣電磁閥3和排氣電磁閥4配合動作實現壓力鑒定點的控制。

(3)降壓和檢定點控制過程：開啟排氣電磁閥4，氣體流出增壓缸前端，系統開始降壓，通過進氣閥3和排氣閥4配合動作實現壓力鑒定點的控制。

圖2 氣驅液原理圖

(4)泄壓過程（零點檢定）：開啟電動截止閥9和泄壓閥10系統與大氣連通，實現零點檢定。

若二次增壓采用步進電機或伺服電機驅動方案，可以省去氣源等，接通電源即可工作，方便于使用。與氣驅相比，造壓的工藝管路不同，多塊儀表同時檢定需要考慮缸體和壓力管路容積，可以提高預壓壓力或考慮增壓雙缸并行工作等方案，提高造壓速度，同時考慮0.6MPa壓力的穩定控制。

氣源進氣有過濾器、排氣有消音器，油路上也設有過濾器。振動臺部分設有減震墊，以減小噪音的產生和外擴。

在測試過程中，脈動壓力參數、振動參數實現精確設置，并且可以溯源。

振動頻率、振動幅值、振動方向參數可調節顯示，具備定頻、掃頻、頻率參數、三維振幅顯示，錄入校準數據表格保存功能等自動功能和手動功能。脈動壓力參數以波形或數據表格的格式顯示并保存，可溯源。

1.3 自動控制調節系統

自動控制核心部件壓力控制器實現造壓單元壓力產生執行機構的控制信號、振臺參數調節信號，及標準壓力模塊和被檢壓力表/壓力傳感器測量值、振動參數等信號的測量和處理，并形成閉環控制，以獲得穩定的壓力、振動等參數。圖4為控制框圖。

圖3 脈動參數、振動參數可溯源

圖4 控制框圖

控制單元相應處理后的上位機指令，在升程檢定中完成預壓和增壓控制所需要的各種信號，在回程檢定中完成泄壓和機構回原位控制所需要的各種信號。

造壓模塊單元包含執行元件和測量顯示儀表，與控制單元信號構成閉環控制。其中，集線器完成各路信號的匯總，然后由32位單片機構成的核心控制模塊負責處理各路信號，最后通過無線發送模塊發送給上位機。

振臺組件由震源、脈動源和儀表組成，產生振動、脈動所需參數，參數傳給集線器。

無線發送模塊采用WIFI信號將控制模塊送來的信號向上位機發送，使得上位機與檢定裝置之間通過WIFI無線信號連接。

1.4 軟件

為了滿足檢定軟件方便易用，具有圖像處理系統，對被檢儀器儀表進行信息化管理的要求，將被檢測的壓力表安裝在攝像頭下，將檢測數據傳輸給電腦并在電腦上顯示出來。

(1)檢定軟件能夠滿足抗（耐）震壓力表、普通壓力表、壓力變送器、壓力控制器等壓力儀表的檢定需要。

(2)檢定軟件能夠與中心信息系統進行互聯互通，能夠實現電子記錄直接通過中心信息系統出具檢定證書。

(3)檢定軟件方便易用，具有圖像直觀顯示功能，對被檢儀器儀表進行信息化管理。

(4)檢定軟件能夠實現聯機操作，共用一套數據庫，信息數據能在多個客戶端進行同時使用。

(5)中心信息系統從接收室錄入的儀表基礎信息能夠被檢定軟件自動錄入，檢定員只需進行檢定數據采集錄入，數據計算處理及檢定結論均由檢定軟件完成，檢定員只需確認打印證書，證書信息直接傳輸到中心信息系統進行證書打印。

(6)檢定軟件具有同時檢定錄入多塊儀表的檢定信息功能，滿足同時檢定多塊儀表的需要。

軟件設計流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

上位機配以對應的無線路由器，以接收檢定裝置發送來的數據信息，上位機軟件按照規則處理對應的數據。同時，上位機軟件自動完成檢測數據的誤差處理、分析，并給出測試報告。圖6是上位機軟件的界面截圖。

圖6 檢定軟件界面

2 測試數據分析

(1)液體增壓器、連接臺、連接管路外觀及各靈活性檢查（見表2）。

表2

(2)液體增壓其、連接臺、連接管路輸出回路和密封性試驗（見表3）。

表3

(3)液體增壓其、連接臺、連接管路輸出回路和密封性試驗（見表4）。

表4

3 結語

液壓脈沖綜合檢定裝置采用壓力檢測裝置在脈動作用下對耐震壓力儀表進行檢測，測試結果能清晰在電腦屏幕上顯示，同時壓力裝置和振動裝置采用高壓軟管連接，整個測試系統包括兩個部分，即壓力測試部分和振動部分，實現了測試過程中檢測結果不受振動影響，同時檢測結果有顯示，振動幅度有溯源，壓力儀表安裝和拆卸方便，同時檢測該裝置可實現4臺測量范圍在100MPa內的壓力儀表的自動批量檢定，此外創新實現壓力變送器的批量全自動檢定，使其檢定效率提升了500%，進一步提升了壓力實驗室的自動化、數字化、信息化程度。