韋振華
(國營長虹機械廠,廣西桂林541003)
在科研單位或特定現(xiàn)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(zhuǎn)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(jiān)測測量設備的系統(tǒng)管路氣體壓力和顯示設備的當前工作狀態(tài)。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(jié)構(gòu)和測量原理的限制,長期使用容易產(chǎn)生誤差,應對其進行計量確認。在現(xiàn)場,各類專用測量設備不僅結(jié)構(gòu)復雜、數(shù)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(nèi)測量范圍在0~60 MPa的壓力校準標準器,其工作介質(zhì)主要為水或油,會使得校準后的壓力表內(nèi)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(tǒng)管路污染;且拆下后再次安裝時,容易出現(xiàn)系統(tǒng)管道變形和難以密封的問題。而使用氣體介質(zhì)的壓力表校準設備,其測量范圍一般為0~10 MPa,無法滿足現(xiàn)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(xiàn)場校準,并且使用干燥、純凈的氣體介質(zhì),以使校準后的系統(tǒng)管路無水(油)污染風險,保證壓力表的顯示數(shù)據(jù)準確、可靠;同時實現(xiàn)可拓展功能,增配數(shù)字校準儀和專用軟件端后,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的存儲、處理自動化,具備較高的使用價值。
經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研,基本確定了現(xiàn)場校準的可行性,以下選取一些典型設備舉例說明。
氣體管路系統(tǒng)原理如圖1所示。
在確保電磁閥F、放空閥K關閉和管路內(nèi)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(xiàn)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(tǒng)原理圖
氣體管路系統(tǒng)原理如圖2所示。在確保開關F,K1,K2關閉和管路內(nèi)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(zhuǎn)設備氣體管路系統(tǒng)原理圖
根據(jù)以上分析表明,專用測量設備上壓力表的現(xiàn)場校準是切實可行的。本課題實施現(xiàn)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(jīng)過調(diào)節(jié)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(xiàn)場校準方案示意圖
要注意的是,在連接管路上不應有產(chǎn)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(tǒng)稱,要根據(jù)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。
經(jīng)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(xiàn)輸出60 MPa的標準壓力;再配以智能壓力校驗儀,實現(xiàn)高精度、數(shù)字化的數(shù)據(jù)測量;在人力、時間允許的情況下,編寫自動檢測軟件,實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動存儲、誤差自動計算、結(jié)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(xiàn)場校準,且工作介質(zhì)為純凈的氣體,以使校準后的系統(tǒng)管路無水(油)污染風險,精度等級滿足現(xiàn)場和實驗室技術要求的壓力校準標準器。
設計校準臺主要由增壓裝置、壓力調(diào)節(jié)控制裝置組成;再增加拓展部分:用于顯示數(shù)值的測量標準、記錄數(shù)據(jù)的軟件部分;參考一般的活塞式壓力計結(jié)構(gòu),擬配兩個被檢表接口,一個測量標準(標準表)接口,則可實現(xiàn)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(jīng)增壓裝置升壓后,由壓力調(diào)節(jié)控制裝置控制輸出壓力,并根據(jù)被檢壓力表校準點壓力的大小進行適量微調(diào),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(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖诉M行記錄、存儲,由軟件處理后給出校準結(jié)果或打印。
圖4 校準臺工作原理圖
1)被檢表參數(shù)
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(shù)
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(guī)要求。
增壓器是通用壓力表校準臺功能實現(xiàn)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(xiàn)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(qū)動,具有自冷卻功能,排出的驅(qū)動氣體帶走工作時的熱量,無產(chǎn)生熱、火星和火花危險,適合現(xiàn)場工作環(huán)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(tǒng)管路問題,滿足設備氣路系統(tǒng)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(qū)動氣壓就能平穩(wěn)工作,且具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠等特點。
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(jīng)過過濾器濾除雜質(zhì);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(xiàn)和輕捷方便的因素,設計增壓裝置由過濾器、減壓閥、精密調(diào)壓閥、截止閥、安全閥、壓力表和氣體增壓器等部件構(gòu)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
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(xù)的升壓或降壓,要做到氣壓的準確控制,需合理設計調(diào)節(jié)控制裝置。
調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)壓力值。因此,設計壓力調(diào)節(jié)控制裝置必需用到精密調(diào)壓閥、微調(diào)增壓器、截止閥、安全閥等部件,其工作原理:輸入氣體經(jīng)增壓裝置升壓后,由壓力調(diào)節(jié)控制裝置控制輸出壓力,并根據(jù)被檢壓力表校準點壓力的大小進行適量微調(diào),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。
考慮產(chǎn)品的成型和最終效果,需重點分析考慮增壓裝置和調(diào)節(jié)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(jīng)研究分析和反復論證,將校準臺內(nèi)部大致安排為兩部分:
上部置壓力調(diào)節(jié)裝置以微調(diào)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(shù)據(jù)。
下部置進氣口,配減壓閥,可將現(xiàn)場提供的氣源壓力減壓至所需預增氣源和驅(qū)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(fā)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(yǎng)工作,箱體前、后面板均設有活動門;為便于現(xiàn)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。
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(fā)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(jīng)研究對比,考慮到承壓、防爆的安全因素,達到保證增壓系統(tǒng)工作安全、防護人員,最大程度地降低系統(tǒng)管路出現(xiàn)意外對操作人員的危害的目的,結(jié)合重量不能太大,需要在現(xiàn)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
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。
1)試驗環(huán)境條件和現(xiàn)場工作環(huán)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(shù)字壓力校驗儀,其測量范圍為0~60 MPa,準確度為0.05%;均已經(jīng)過計量檢定合格,在有效期之內(nèi);
3)校準臺的安全閥、高壓軟管等部件經(jīng)過檢查,處于正常狀態(tài);
4)試驗用的氣源為清潔、干燥的氮氣。
對以下四個項目進行試驗,具體為:
1)增壓及壓力調(diào)節(jié)控制試驗,對系統(tǒng)的增壓、保壓、調(diào)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(wěn)定性的試驗,評定校準臺的穩(wěn)定性。
每項試驗過程都包括初始檢查、試驗中的調(diào)整檢測、記錄、試驗后的檢查。試驗順序為:增壓及壓力調(diào)節(jié)控制—密封性及耐壓性—波動度—穩(wěn)定性。
通過進行增壓及壓力調(diào)節(jié)控制試驗、密封性及耐壓性試驗、波動度試驗和穩(wěn)定性試驗,以及對試驗數(shù)據(jù)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(nèi)可調(diào);
2)測量準確度:最高0.05%;
3)壓力波動度:優(yōu)于0.05%;
4)耐壓性:3 min內(nèi)壓降不大于1%;
5)穩(wěn)定性:優(yōu)于0.05%。
試驗結(jié)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。
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(wěn)定調(diào)節(jié)和控制,解決了高壓氣體壓力表的校準難題,實現(xiàn)了不拆卸儀表的現(xiàn)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(fā),完全采用標準件、國產(chǎn)件,結(jié)構(gòu)簡潔,布局合理,牢固耐用,易于日常維護,具備較好的經(jīng)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(xiàn)場檢定校準的發(fā)展[J].品牌與標準化,2011(22):40-41.
[4]李江云.對現(xiàn)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(fā)展方向和現(xiàn)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(tǒng)[J].中國計量,2007(7):49-51.