抗(耐)震壓力表液壓伺服脈動校驗裝置應用研究

劉開緒，劉卓群，李博，董鵬，吳春梅，張占勝

(1.大慶師范學院機電工程學院，黑龍江大慶 163712；2.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林 132012；3.大慶油田技術監督中心，黑龍江大慶 163712)

0 前言

抗(耐)震壓力表也稱作抗震(振)壓力表或耐震壓力表，它是在普通壓力表的基礎上，內部填充阻尼液并加裝緩沖機構，來減輕環境劇烈振動及介質的脈沖對儀表的測量準確度及使用壽命的影響，文中統稱耐震壓力表[1-3]。耐震壓力表指示穩定清晰，廣泛應用于機械、石油、化工、冶金、礦山、電力等領域。由于耐震壓力表長期工作在機械振動及壓力脈動的環境下，容易產生疲勞，應該定期對其計量特性進行校準，以保證測量的準確性[4-6]。SY/T 6817—2010《抗(耐)震壓力表校準方法》中規定，抗介質脈動檢驗方法如下：將壓力表安裝在能產生正弦波形脈動壓力、頻次為(60±5)次/min的脈動壓力源上，在量程30%～40%之間的一個檢驗點上施加脈動壓力，其幅度不大于該點壓力值的10%，待壓力表脈動幅度穩定后，考查壓力表的減幅比和脈動誤差[7]。

可以用柱塞式壓力計的活塞在很小的距離范圍內往復運動，以實現液體壓力在封閉的容積內的脈動。此種脈動壓力產生方法最直接，采用活塞和凸輪配合，再配以調節容腔大小的調幅器構成一套檢驗裝置[2]。但該方案的調幅器適應范圍有限，不適用于大容腔耐震壓力表，而且隨著凸輪的磨損，脈動幅度減小，測量的系統誤差增大。

本文作者利用液壓伺服控制裝置實現脈動源的設計，先通過氣驅液預壓泵產生基準壓力值，該壓力值對應于校驗耐震壓力表的檢驗點壓力值；再在基準壓力值的基礎上，通過液驅液增壓缸活塞產生壓力增量，該壓力增量等于檢驗點壓力值的10%，使得校驗的耐震壓力表容腔內的壓力達到高壓值，液驅液增壓缸活塞退回原來位置時，系統容腔壓力回歸到基準壓力值。然后采取電液伺服控制液驅液增壓缸工作，校驗耐震壓力表容腔內的壓力在基準壓力值和高壓值之間按照給定規律(如正弦規律)變化。

該方案能夠適應不同型號耐震壓力表傳壓孔容積的差異以及環境溫度的影響，使得脈動壓力源能夠根據設定的基準壓力值自適應變化壓力表參數、環境參數，自動調整液驅液增壓缸的活塞行程，輸出穩定的壓力脈動幅度以靈活地調節脈動的頻率和幅度，基于此設計了通用性強的脈動頻率和幅度可靈活設定的耐震壓力表校驗裝置。

1 校驗標準的要求

SY/T 6817—2010《抗(耐)震壓力表校準方法》中明確規定了在被校驗耐震壓力表量程的30%～40%之間選取一個檢驗點，記作pO，并在該檢驗點上施加正弦波脈動壓力，其幅度不大于該點壓力值的10%，脈動頻率為(60±5)次/min。圖1所示為壓力表校驗脈動波形示意。

按照抗(耐)震壓力表校準方法要求，校準抗(耐)震壓力表需要滿足壓力脈動幅度Δp=(pmax-pmin)≤pO×10%的條件。比如對于一塊100 MPa的耐震壓力表，可以選取pO=30 MPa，脈動的幅度是3 MPa，即pmax=33 MPa。

圖1 壓力表校驗脈動波形示意

同時要求脈動的頻率滿足(60±5)次/min，即每秒對應出現1個脈沖波形。

2 液壓脈動裝置的原理及控制方法

2.1 裝置的原理

液壓脈動波形的產生分兩段進行。首先，在手動狀態下使液驅液增壓缸活塞退回到零位，通過氣驅液預壓泵把試壓管路容腔內的壓力升高至檢驗點壓力值pO，接著關閉回油截止閥使得管路內的壓力不會通過管路回流到預壓泵內而泄壓；然后，通過調節液壓泵站溢流閥開度調節液壓泵站出口壓力，手動控制液驅液增壓缸的活塞推進，使增壓缸工作時的出口輸出壓力在預壓值pO的基礎上增加到pmax。之后，切換到波形輸出模式，即啟動自動控制，則液驅液增壓泵出口壓力在pO和pmax之間波動[8-9]。

該波動產生的壓力波形可以根據需要進行調節，由于采用伺服控制閥、壓力值反饋，當給定的波形為正弦波時，產生的脈動波形接近于正弦波。該機構可以得到三角波、梯形波等所需要的波形，實現起來非常方便。液壓脈沖機構的原理框圖如圖2所示。

圖2 抗耐震壓力表校準裝置系統框圖

校驗系統裝置包含液壓脈動和機械振動兩大主要功能，脈動功能是采用氣驅液預壓到pO，再液驅液增壓缸增壓到pmax，利用壓力變送器反饋信號控制電液伺服閥實現正弦波液壓脈動控制[10-11]。

采用工控機運行LabVIEW軟件圖形化界面設計，借助壓力、溫度、振幅變送器實時檢測系統狀態，相關參數直接顯示在軟件程序的前面板上，同時，可實現脈動壓力、振動幅度的波形和數值的顯示，相關數據實現了動態記錄，并生成在校準報告之中[12-13]。

在軟件程序的前面板上，設計有波形顯示窗口，提供動態顯示給定波形、實測波形，通過實測波形與給定波形的對比可以初步判斷系統的控制精度。

同時，為了使得數據可溯源，采取每秒20點的數據錄波存儲，可以非常方便地還原出脈動壓力波形變化的規律。

同時，為了實現規范要求的減幅比參數的評定，分別顯示脈動壓力值的最小值、平均值、最大值。圖3所示為液壓脈動控制流程。

圖3 液壓脈動控制流程

同時，為了驗證耐震性能，被檢壓力表安裝在綜合試驗臺的活接頭上，活接頭連接在振動臺，啟動振動臺振動，被檢壓力表一同振動，其振動幅度通過振動傳感器檢測，經隔離后由工控機采集卡處理，處理的數據在軟件界面上以振幅數據顯示，振動的頻率和幅度可以通過電位器分別調節。在圖3所示的液壓脈動控制流程中并沒有體現振動的控制，振動臺采用電磁振動臺，配置振幅傳感器。振動臺與脈動試驗臺呈分離軟連接，振動的控制相對獨立，振幅數據在報告中體現[14]。

當系統工作達到了設定的脈動次數時，或在點擊軟件前面板“報告輸出”按鈕時，軟件自動處理脈動壓力的最小值、平均值、最大值及振幅參數值與耐震壓力表的檢測值，生成校驗數據，通過與耐震壓力表的精度等級數據比對，給出校驗結果和結論。其中，耐震壓力表的檢測值通過視頻系統實時顯示在屏幕上，通過截屏的方式獲取對應檢定點壓力值的數據[15]。

2.2 液壓系統原理

按照系統框圖規劃設計的液壓脈沖裝置系統如圖4所示。整個系統由低壓部分和高壓部分組成，兩部分通過液驅液增壓缸ZY2實現隔離[8-9]。

被校驗的耐震壓力表安裝在綜合試驗臺SYT1的活接頭上，截止閥JZ2用于切斷監視封閉容腔內的壓力表，壓力變送器P1為系統電氣部分提供壓力信號。

預壓時，手動控制伺服閥DT1控制液驅液增壓缸ZY2的活塞退回到最底端，然后調節ITV1氣控閥，同時打開手控球閥YY1給氣驅液液壓泵ZY1提供能量，氣驅液液壓泵ZY1工作把介質泵JZB1提供來的液體通過單向閥壓入到高壓管路容腔內，比如達到預壓使pO=5 MPa，然后關閉截止閥JZ1使得試驗容腔被封閉。

圖4 液壓脈沖裝置系統

增壓時，液壓站的動力液壓泵DLB1工作，調節電氣比例溢流閥YLF1的開度，控制溢流量以此控制液壓站出口壓力，即控制了施加到液驅液增壓缸ZY2上的液體壓力大小。通過伺服閥DT1控制液驅液增壓缸ZY2推進，使試驗容腔內的壓力達到pmax，比如pmax=5.5 MPa，調定pmax之后，鎖定比例溢流閥YLF1的狀態。

切換到連續波形輸出，即實現脈動試驗的狀態。在給定信號和壓力反饋信號的作用下，伺服閥DT1控制液驅液增壓缸ZY2的活塞按照壓力變動正弦波規律動作，這樣首先保證了封閉容腔內的壓力脈動范圍限定在pO和pmax之間，其次是液壓伺服控制能夠確保輸出波形接近正弦波。

試驗結束后，打開泄壓閥XYF1使試驗容腔內的介質流回介質箱，打開截止閥JZ1使液驅液增壓缸ZY2的出口與氣驅液增壓泵ZY1入口相連通，為下一次試驗做好準備。

而且，綜合試驗臺SYT1安裝在振動臺上隨振動臺面一起振動，以驗證耐震壓力表的振動性能，同時可避免振動對脈動部分的影響。

3 元器件的選擇

3.1 氣驅液預壓泵的選擇

根據被檢表的量程和校驗標準確定氣驅液預壓泵參數，首要參數是氣驅液預壓泵高壓端輸出壓力。如檢定100 MPa的耐震壓力表，取量程30%的點為檢驗點，即30 MPa，即對應圖1中的pO=30 MPa，這就要求氣驅液預壓泵的輸出壓力能夠達到30 MPa。又由于通用空壓機作為氣源的最大限定壓力一般在0.8 MPa以內，由此可以確定增壓比為pO/0.8。實際設計中，還需要考慮在工作過程中氣源壓力降低、脈動幅度帶來的影響，所以可以按照1.5倍的理論值確定增壓比，取氣驅液預壓泵的增壓比在50～70之間的定型產品。如增壓比選擇60，即可以實現0.8×60=48 MPa，能夠滿足30 MPa檢定點的檢定要求。其次，確定選擇單作用還是雙作用方式等其他參數及結構形式，通常選擇雙作用以提高工作效率。

3.2 液壓站參數和液驅液增壓缸的選擇

脈動需要的最高壓力值pmax決定著系統其他元件參數的選擇，如液壓站工作最高壓力、增壓缸的增壓比等。

首先確定液壓站最高工作壓力在6.5 MPa，在電氣比例溢流閥YLF1的作用下可以使得液壓站出口壓力在0～6.5 MPa之間連續點調節。為了保證液驅液增壓缸ZY2輸出壓力能夠達到pmax，對應100 MPa的耐震壓力表，pmax=33 MPa，由此確定增壓比為pmax/6.5=5.0倍。

增壓缸還有一個關鍵參數就是流量，由于壓力表校驗在封閉的容腔內部進行，管路內部容積非常有限[2]，不需要增壓缸大流量輸出。因為市面上的成品增壓缸多是為汽車膠管等產品做疲勞或爆破試驗用的，完全適合用于耐震壓力表的校驗裝置之中，如實際選擇的增壓缸增壓比為7.6。

液驅液增壓缸最大行程可以依據介質的體積壓縮率、管路的容積、溫度參數進行理論計算，也可以通過試驗的方式調整確定最佳參數。圖5所示是耐震壓力表校驗裝置實物。

裝置內部集成了一套液壓站和10、100 MPa兩套脈動裝置，分別適應不同量程的測量。

精準扶貧的產業、生態和能力扶貧對于鄉村振興目標的實現具有路徑上的共生性。以高質量產業、新農村建設、繁榮農村文化為接點，通過產業、生態和文化教育扶貧促進“農業強”、“農村美”和“農民富”具有現實的可能性。

圖5 耐震壓力表校驗裝置

4 性能驗證及分析

4.1 脈動幅度和頻率的跟蹤試驗

脈動幅度由pO和pmax的差值決定，當pO和pmax的值分別確定以后，則脈動幅度也確定。溫度參數會影響介質體積壓縮率[16]，但在檢定一塊耐震壓力表過程中溫度的影響非常小，而且伺服控制系統具有一定的自適應調節能力，實際應用證實系統工作是穩定的。

脈動頻率的調節是通過設定給定波形各個階段的時間確定的。如梯形波的上升時間為0.25 s、上水平段時間0.25 s、下降時間0.25 s、下水平段時間0.25 s，則梯形波的周期為1 s，對應頻率為60次/min。改變各個階段的時間就可以產生不同頻率的波形，調節起來非常方便，這樣設置便于構造不同的波形，正弦波等其他常用波形的設定也類似。

通常不同型號壓力表的容腔容積在0～0.314 mL[2]，為了驗證裝置的適用范圍，在試驗裝置上分別額外加裝了100 mL和1 000 mL的高壓增容儲液罐。在前述選型的基礎上試驗脈動幅度、頻率跟蹤范圍，經過試驗證實裝置的脈動幅度符合要求，極限控制頻率均可以達到(60±5)次/min標準要求。同時，由試驗可知：在去掉增容儲液罐后，裝置的頻率跟蹤性能會顯著提升。

4.2 校驗數據的處理及試驗驗證

校驗裝置產生符合標準要求的液壓脈沖作用在被校驗的耐震壓力表上，系統自動獲取液壓脈沖的參數數據，該數據與耐震壓力表示數數據按照規范要求進行比對處理生成校驗報告，給出校驗結論。耐震壓力表示數的讀取可以通過視覺自動識別，或人工讀取。

試驗驗證分別采用YTN-100、16 MPa的耐震壓力表和100 MPa高壓膠管做脈動壓力檢驗試驗。

對于16 MPa的耐震壓力表，選擇檢定點為5 MPa，脈動幅度0.5 MPa，測試記錄的工控機截屏如圖6所示。

100 MPa量程可以用來檢定耐震壓力表，也可以用于汽車膠管的疲勞試驗。如對于100 MPa高壓膠管，進行80 MPa±10%(即72～88 MPa)的脈動試驗，測試記錄的波形如圖7所示。也可以進行其他脈動范圍的試驗，如30～90 MPa間的脈動試驗等。

實際脈動的基準壓力、幅度都可以靈活設定，并可以在試驗的過程中進行調節。

圖6 16 MPa耐震壓力表試驗軟件界面

圖7 高壓膠管脈動試驗曲線

5 結論

基于LabVIEW軟件、PCI-1711U采集控制卡經隔離驅動伺服閥實現精確控制，經過大量試驗測試驗證，得出以下結論：

(1)采用預壓和增壓脈動的兩段式施壓，其脈動幅度能夠被唯一地限定在控制區間內，設定方便靈活。

(2)伺服閥控制液驅液增壓缸工作，保證了脈動頻率調節范圍符合規范要求，采用伺服閥控制能夠更加準確地實現正弦波脈動和其他波形的脈動。

該耐震壓力表校驗裝置采用工控機控制，包含10 MPa和100 MPa 2個量程脈動壓力源，具有操作靈活、控制精度較高、數據準確動態記錄等優點，該裝置適應管路容積變化量比較寬泛，能夠適應包括油田上使用的超高壓耐震壓力表的校驗，以及一些膠管類的靜壓試驗、脈動試驗及爆破試驗等。