全自動壓力表、壓力變送器一體化檢定裝置的研究與實現(xiàn)

謝祥 吉偉 楊杰 徐玲

（安徽省滁州市技術(shù)監(jiān)督檢測中心，安徽滁州 239000）

0.引言

“活塞壓力計”“手動壓力源+標(biāo)準(zhǔn)器”在壓力表、壓力變送器檢定中的應(yīng)用較為廣泛，但由于涉及高頻率更換砝碼、大量處理數(shù)據(jù)等工作內(nèi)容，這類檢定裝置存在一定缺陷。為保證檢定裝置更好用于壓力表、壓力變送器檢定，提升檢定效率和質(zhì)量，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1.問題分析

壓力表、壓力變送器檢定需要得到活塞式壓力計、手動壓力泵等“壓力源”支持，手動壓力泵對液體或空氣的壓縮通過增壓方式實現(xiàn)，增壓時被壓縮的工作介質(zhì)能夠吸收能量，需要耗費(fèi)較長時間穩(wěn)定壓力，這會影響檢定工作效率。對于存在較快壓力穩(wěn)定速度的活塞式壓力計來說，其需要進(jìn)行砝碼的頻繁更換，存在較大工作強(qiáng)度。此外，檢定數(shù)據(jù)處理同樣屬于壓力表、壓力變送器檢定面臨的難題，主要涉及檢定數(shù)據(jù)記錄、各項指標(biāo)計算、檢定證書中數(shù)據(jù)錄入等工作內(nèi)容，由于處理檢定數(shù)據(jù)需要大量耗費(fèi)時間，這就使得檢定工作效率進(jìn)一步下降。為解決傳統(tǒng)壓力表、壓力變送器檢定存在的問題，需從快速增壓和穩(wěn)壓、高效處理檢定數(shù)據(jù)等方面入手，設(shè)法提升檢定工作效率和質(zhì)量[1]。

2.全自動壓力表、壓力變送器一體化檢定裝置設(shè)計

2.1 一體化檢定裝置構(gòu)成

本文設(shè)計的全自動壓力表、壓力變送器一體化檢定裝置由四部分組成，包括預(yù)壓系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、高壓電磁閥、內(nèi)置軟件。預(yù)壓系統(tǒng)設(shè)計選擇液體壓縮方式形成壓力，設(shè)計過程需考慮容積大小不一的壓力表、壓力變送器腔體容積，壓力表腔體預(yù)先充滿裝置屬于其中的關(guān)鍵，這關(guān)系著預(yù)期壓力能否由充足液體量達(dá)成，為解決“充油”問題，具體采用“多次充油”設(shè)計。結(jié)合“打氣筒”原理，預(yù)壓系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)吸入介質(zhì)、拉出活塞，向壓力儀表腔體推進(jìn)活塞充入介質(zhì)，即可在多次推進(jìn)下到達(dá)“預(yù)壓壓力值”，該值需通過軟件設(shè)置；增壓系統(tǒng)需保證壓力穩(wěn)定和可控，為兼顧可控性和大壓力產(chǎn)生，壓力控制由步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)。對于非線性的液體壓縮壓力變化，設(shè)計過程通過試驗總結(jié)壓力變化規(guī)律，步進(jìn)電機(jī)步長通過相應(yīng)算法和軟件控制，最終實現(xiàn)壓力控制。具體需要對介質(zhì)在壓力變化過程的“壓縮比”進(jìn)行計算，以此實現(xiàn)壓力穩(wěn)定性控制，為保證壓力變化值快速準(zhǔn)確獲取，需同時設(shè)置壓力測量模塊，模塊負(fù)責(zé)對壓力變化模擬量進(jìn)行采集，未得到電路處理的壓力值呈現(xiàn)無延遲、響應(yīng)快的特點(diǎn)，能夠得到準(zhǔn)確壓力變化量，準(zhǔn)確“壓縮比”也能夠同時獲取。兩個壓力值的變化量及變化規(guī)律可通過“壓縮比”明確，以此對步進(jìn)電機(jī)每動一步變化的壓力量進(jìn)行計算，在軟件支持下可結(jié)合壓力量變化對電機(jī)動作大小進(jìn)行控制；高壓電磁閥負(fù)責(zé)在密封腔體中持續(xù)壓縮液體，考慮到現(xiàn)階段市場上缺乏60MPa以上耐壓的小型電磁閥，本文設(shè)計專門研發(fā)了能夠滿足一體化檢定裝置需要的小型高壓電磁閥。高壓電磁閥參照手動壓力源出油單向閥設(shè)計，采用相同的閥芯結(jié)構(gòu)及常閉的工作模式，高壓電磁閥工作時常閉，僅在0壓下打開；內(nèi)置軟件負(fù)責(zé)一體化檢定裝置的控制和數(shù)據(jù)處理，控制對象包括2個電磁閥、2套增壓系統(tǒng)及多路數(shù)據(jù)信號及反饋處理，在順序和算法上要求嚴(yán)格，結(jié)合檢定規(guī)程要求設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)采集、計算、處理及報告格式，能夠自動完成以往大量人工工作，大幅提升壓力表、壓力變送器檢定效率[2]。

2.2 一體化檢定裝置細(xì)節(jié)設(shè)計

為設(shè)計全自動壓力表、壓力變送器一體化檢定裝置，需把握以下幾方面細(xì)節(jié)：第一，預(yù)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于設(shè)計確定的預(yù)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，考慮到預(yù)壓系統(tǒng)需要得到1.6MPa壓力并解決“充油”問題，因此設(shè)計增壓系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)由42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動組成，以此對增壓活塞尺寸開展計算，結(jié)合被檢壓力表腔體容量，完成預(yù)壓活塞長度計算，活塞尺寸及實際長度需嚴(yán)格通過試驗驗證確定；第二，增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。一體化檢定裝置采用小型化整機(jī)布局，以86步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動為增壓電機(jī)，具體框架結(jié)構(gòu)與預(yù)壓系統(tǒng)相同，為達(dá)到60MPa的電機(jī)推力及整體要求，完成活塞尺寸計算，相應(yīng)尺寸和長度同樣需要通過試驗驗證確定；第三，高壓電磁閥結(jié)構(gòu)設(shè)計。選擇手動壓力源出油單向閥結(jié)構(gòu)作為高壓電磁閥結(jié)構(gòu)，需配合電磁線圈使用，因此需科學(xué)設(shè)計磁芯罩、彈簧、磁芯尺寸；第四，控制電路設(shè)計。一體化檢定裝置整體設(shè)置有壓力測量模塊1個、電磁閥2個、步進(jìn)電機(jī)2套、限位開關(guān)4個，這些部件需要通過電路板連接，并設(shè)法與上位機(jī)實現(xiàn)通訊，通過電路板，上位機(jī)軟件能夠?qū)Σ考幼鬟M(jìn)行控制，具體采用高集成、小型化、防干擾的線路板設(shè)計；第五，整機(jī)布局。選擇臺式箱式結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化檢定裝置設(shè)計，集成有工業(yè)觸摸電腦，規(guī)格為14寸，箱體內(nèi)各部件位置按照電路板、電源電磁閥、預(yù)壓、增壓等部件尺寸進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃；第六，整機(jī)裝配設(shè)計。在組裝各部件后，需對整機(jī)耐壓及密封性進(jìn)行測試，滿足設(shè)計要求；第七，軟件控制部分聯(lián)調(diào)。為實現(xiàn)壓力穩(wěn)定和控制，軟件控制需結(jié)合“壓縮比”完成步進(jìn)電機(jī)動作值計算，電機(jī)動作由電機(jī)驅(qū)動器控制，壓力穩(wěn)定控制可由此實現(xiàn)，需開展反復(fù)試驗和驗證完成聯(lián)合調(diào)試，同時需結(jié)合壓力儀表檢定規(guī)程做好軟件數(shù)據(jù)處理[3]。

2.3 創(chuàng)新點(diǎn)及推廣價值

本文設(shè)計的全自動壓力表、壓力變送器一體化檢定裝置主要存在以下幾方面創(chuàng)新點(diǎn)：第一，“循環(huán)式”充油設(shè)計。該設(shè)計能夠向被檢壓力表腔體多次充灌液體，使輸出壓力更加穩(wěn)定，一體化檢定裝置因此具有更強(qiáng)適用性；第二，維護(hù)和修理難度較低。通過綜合應(yīng)用機(jī)械、電子、軟件技術(shù)，裝置存在較低維護(hù)難度，通過軟件后臺查詢各電子部件工作狀態(tài)，即可實現(xiàn)故障點(diǎn)快速判定；第三，軟件集成。依托工業(yè)觸摸電腦和Win7系統(tǒng)，以及檢定數(shù)據(jù)處理、壓力控制軟件，裝置能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試、維護(hù)，設(shè)備工作狀態(tài)的實時查看也能夠在互聯(lián)網(wǎng)支持下實現(xiàn)；第四，高效高質(zhì)。一體化檢定裝置能夠?qū)蓧K同量程壓力表開展同時檢定，檢定過程可自動錄入數(shù)據(jù)和計算指標(biāo)，判定結(jié)果也能夠自動給出，最終完成檢定記錄和證書的自動打印；第五，全自動化檢定。壓力變送器檢定可在裝置支持下實現(xiàn)全自動化，將裝置與壓力變送器連接后，裝置可基于目標(biāo)壓力值自動升降壓及穩(wěn)壓，壓力變送器顯示的輸出電流也能夠自動讀取，之后對各項指標(biāo)自動計算即可獲得判定結(jié)果，最后完成檢定記錄及證書打?。痪C合分析可以發(fā)現(xiàn)，全自動壓力表、壓力變送器一體化檢定裝置具備（0～60）MPa造壓范圍，由全自動壓力發(fā)生器一臺和數(shù)據(jù)處理軟件組成，具備0.05級測量精度及滿足檢定規(guī)程要求的壓力波動度，在電力、軍工、冶金、化工、計量機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域均具備較高推廣價值，市場需求潛力巨大。

3.結(jié)語

全自動壓力表、壓力變送器一體化檢定裝置具備較高推廣價值。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的一體化檢定裝置構(gòu)成、一體化檢定裝置細(xì)節(jié)設(shè)計等內(nèi)容，則直觀展示了一體化檢定裝置設(shè)計與實現(xiàn)路徑。為更好服務(wù)于壓力儀表檢定，容錯設(shè)計、異常情況處理等要點(diǎn)同樣需要得到重視。