周四清，吳雙雙，曾麟，宋揚(yáng)

(湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院，湖南長(zhǎng)沙410014)

0 引言

壓力滅菌器、高壓試驗(yàn)機(jī)等壓力設(shè)備都安裝有壓力監(jiān)測(cè)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)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(zhǔn)［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(cè)量?jī)x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(zhǔn)主要在常溫下進(jìn)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(zhǔn)［6］。當(dāng)前校準(zhǔn)方法的缺陷主要在于校準(zhǔn)環(huán)境與采集儀的實(shí)際使用環(huán)境溫度存在較大差異，溫度對(duì)采集儀測(cè)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(zhǔn)裝置，是實(shí)現(xiàn)不同溫度下無線壓力采集儀校準(zhǔn)的關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示，系統(tǒng)由壓力測(cè)試罐、恒溫器、加壓裝置、控制器等組成［7］。壓力測(cè)試罐為采集儀的校準(zhǔn)提供一個(gè)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(cè)試罐提供恒溫環(huán)境，使校準(zhǔn)時(shí)溫度穩(wěn)定和溫場(chǎng)均勻;控制器用于控制加壓系統(tǒng)、恒溫器、采集壓力測(cè)試罐傳感器數(shù)據(jù)、控制檢測(cè)流程、與上位機(jī)通信等。

圖1 校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

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(dǎo)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(jìn)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(cè)試罐

壓力測(cè)試罐如圖3所示，由罐體、數(shù)字壓力計(jì)、進(jìn)氣閥、排氣閥、恒溫槽和溫度傳感器組成。使用裝置時(shí)將無線壓力數(shù)據(jù)采集儀置入測(cè)試罐，將測(cè)試罐蓋擰緊保證密封后，外部壓力氣源經(jīng)進(jìn)氣閥給壓力測(cè)試罐加壓。數(shù)字壓力計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器指示壓力測(cè)試罐的壓力實(shí)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(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)量環(huán)境要求;恒溫器為壓力測(cè)試罐提供一個(gè)溫度可調(diào)節(jié)的恒溫環(huán)境;溫度傳感器用來監(jiān)測(cè)恒溫腔內(nèi)溫度。

圖3 壓力測(cè)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(dòng)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(dòng)閥門用于控制氣路的通斷，變送器用來監(jiān)測(cè)緩沖罐內(nèi)壓力。氣泵啟動(dòng)后給壓力緩沖罐加壓至一定壓力值，關(guān)閉進(jìn)氣閥門;然后打開放氣閥門將壓力氣體輸送給測(cè)試罐，緩沖罐內(nèi)氣壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，關(guān)閉放氣閥。采用緩沖罐的結(jié)構(gòu)減少氣泵加壓時(shí)氣壓波動(dòng)的影響，可以更好地實(shí)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(gè)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(biāo)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(biāo)為設(shè)定溫度值，上下控溫區(qū)跟隨恒溫的溫度進(jìn)行隨動(dòng)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(duì)緩沖罐輸入一定壓力的氣體，然后根據(jù)測(cè)試罐中的需要打開閥門，釋放壓力氣體進(jìn)入測(cè)試管，使測(cè)試罐的壓力達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值。設(shè)測(cè)試管的壓力為p0、體積為V0、溫度為T0，測(cè)試管壓力目標(biāo)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(cè)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(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)值。

圖5 溫度控制子程序

為了提高加壓準(zhǔn)確度，可以采用步進(jìn)方式進(jìn)行加壓，逐步提高到目標(biāo)值，根據(jù)實(shí)際偏差對(duì)每一步進(jìn)行適度調(diào)整［8］。

4 測(cè)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(cè)量控制等，測(cè)試系統(tǒng)工作是否正常。設(shè)置校準(zhǔn)溫度點(diǎn)和壓力值后，開始控制溫度;當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，給壓力罐加壓至目標(biāo)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(cè)量，測(cè)量完成即可開始下一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的壓力測(cè)量。

5 試驗(yàn)結(jié)果

采用本文研制的校準(zhǔn)裝置對(duì)三支某進(jìn)口廠家標(biāo)稱引用誤差為0.4%的無線壓力采集儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)選用0.02 級(jí)的數(shù)字壓力計(jì)，分別在室溫、50℃，110℃下進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表1。通過對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定，可得其擴(kuò)展不確定度為0.06%。由試驗(yàn)結(jié)果和不確定度可以看出，試驗(yàn)結(jié)果符合校準(zhǔn)要求。

圖6 測(cè)試流程圖

表1 試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

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

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