全自動壓力表、壓力變送器一體化檢定裝置的研究與實現

謝祥 吉偉 楊杰 徐玲

（安徽省滁州市技術監督檢測中心，安徽滁州 239000）

0.引言

“活塞壓力計”“手動壓力源+標準器”在壓力表、壓力變送器檢定中的應用較為廣泛，但由于涉及高頻率更換砝碼、大量處理數據等工作內容，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，增壓時被壓縮的工作介質能夠吸收能量，需要耗費較長時間穩定壓力，這會影響檢定工作效率。對于存在較快壓力穩定速度的活塞式壓力計來說，其需要進行砝碼的頻繁更換，存在較大工作強度。此外，檢定數據處理同樣屬于壓力表、壓力變送器檢定面臨的難題，主要涉及檢定數據記錄、各項指標計算、檢定證書中數據錄入等工作內容，由于處理檢定數據需要大量耗費時間，這就使得檢定工作效率進一步下降。為解決傳統壓力表、壓力變送器檢定存在的問題，需從快速增壓和穩壓、高效處理檢定數據等方面入手，設法提升檢定工作效率和質量[1]。

2.全自動壓力表、壓力變送器一體化檢定裝置設計

2.1 一體化檢定裝置構成

本文設計的全自動壓力表、壓力變送器一體化檢定裝置由四部分組成，包括預壓系統、增壓系統、高壓電磁閥、內置軟件。預壓系統設計選擇液體壓縮方式形成壓力，設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，壓力表腔體預先充滿裝置屬于其中的關鍵，這關系著預期壓力能否由充足液體量達成，為解決“充油”問題，具體采用“多次充油”設計。結合“打氣筒”原理，預壓系統通過步進電機吸入介質、拉出活塞，向壓力儀表腔體推進活塞充入介質，即可在多次推進下到達“預壓壓力值”，該值需通過軟件設置；增壓系統需保證壓力穩定和可控，為兼顧可控性和大壓力產生，壓力控制由步進電機負責。對于非線性的液體壓縮壓力變化，設計過程通過試驗總結壓力變化規律，步進電機步長通過相應算法和軟件控制，最終實現壓力控制。具體需要對介質在壓力變化過程的“壓縮比”進行計算，以此實現壓力穩定性控制，為保證壓力變化值快速準確獲取，需同時設置壓力測量模塊，模塊負責對壓力變化模擬量進行采集，未得到電路處理的壓力值呈現無延遲、響應快的特點，能夠得到準確壓力變化量，準確“壓縮比”也能夠同時獲取。兩個壓力值的變化量及變化規律可通過“壓縮比”明確，以此對步進電機每動一步變化的壓力量進行計算，在軟件支持下可結合壓力量變化對電機動作大小進行控制；高壓電磁閥負責在密封腔體中持續壓縮液體，考慮到現階段市場上缺乏60MPa以上耐壓的小型電磁閥，本文設計專門研發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計，采用相同的閥芯結構及常閉的工作模式，高壓電磁閥工作時常閉，僅在0壓下打開；內置軟件負責一體化檢定裝置的控制和數據處理，控制對象包括2個電磁閥、2套增壓系統及多路數據信號及反饋處理，在順序和算法上要求嚴格，結合檢定規程要求設計軟件的數據采集、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 一體化檢定裝置細節設計

為設計全自動壓力表、壓力變送器一體化檢定裝置，需把握以下幾方面細節：第一，預壓系統結構設計。對于設計確定的預壓系統結構，考慮到預壓系統需要得到1.6MPa壓力并解決“充油”問題，因此設計增壓系統的框架結構由42步進電機驅動組成，以此對增壓活塞尺寸開展計算，結合被檢壓力表腔體容量，完成預壓活塞長度計算，活塞尺寸及實際長度需嚴格通過試驗驗證確定；第二，增壓系統結構設計。一體化檢定裝置采用小型化整機布局，以86步進電機驅動為增壓電機，具體框架結構與預壓系統相同，為達到60MPa的電機推力及整體要求，完成活塞尺寸計算，相應尺寸和長度同樣需要通過試驗驗證確定；第三，高壓電磁閥結構設計。選擇手動壓力源出油單向閥結構作為高壓電磁閥結構，需配合電磁線圈使用，因此需科學設計磁芯罩、彈簧、磁芯尺寸；第四，控制電路設計。一體化檢定裝置整體設置有壓力測量模塊1個、電磁閥2個、步進電機2套、限位開關4個，這些部件需要通過電路板連接，并設法與上位機實現通訊，通過電路板，上位機軟件能夠對部件動作進行控制，具體采用高集成、小型化、防干擾的線路板設計；第五，整機布局。選擇臺式箱式結構進行一體化檢定裝置設計，集成有工業觸摸電腦，規格為14寸，箱體內各部件位置按照電路板、電源電磁閥、預壓、增壓等部件尺寸進行科學規劃；第六，整機裝配設計。在組裝各部件后，需對整機耐壓及密封性進行測試，滿足設計要求；第七，軟件控制部分聯調。為實現壓力穩定和控制，軟件控制需結合“壓縮比”完成步進電機動作值計算，電機動作由電機驅動器控制，壓力穩定控制可由此實現，需開展反復試驗和驗證完成聯合調試，同時需結合壓力儀表檢定規程做好軟件數據處理[3]。

2.3 創新點及推廣價值

本文設計的全自動壓力表、壓力變送器一體化檢定裝置主要存在以下幾方面創新點：第一，“循環式”充油設計。該設計能夠向被檢壓力表腔體多次充灌液體，使輸出壓力更加穩定，一體化檢定裝置因此具有更強適用性；第二，維護和修理難度較低。通過綜合應用機械、電子、軟件技術，裝置存在較低維護難度，通過軟件后臺查詢各電子部件工作狀態，即可實現故障點快速判定；第三，軟件集成。依托工業觸摸電腦和Win7系統，以及檢定數據處理、壓力控制軟件，裝置能夠實現遠程調試、維護，設備工作狀態的實時查看也能夠在互聯網支持下實現；第四，高效高質。一體化檢定裝置能夠對兩塊同量程壓力表開展同時檢定，檢定過程可自動錄入數據和計算指標，判定結果也能夠自動給出，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全自動化，將裝置與壓力變送器連接后，裝置可基于目標壓力值自動升降壓及穩壓，壓力變送器顯示的輸出電流也能夠自動讀取，之后對各項指標自動計算即可獲得判定結果，最后完成檢定記錄及證書打印；綜合分析可以發現，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，由全自動壓力發生器一臺和數據處理軟件組成，具備0.05級測量精度及滿足檢定規程要求的壓力波動度，在電力、軍工、冶金、化工、計量機構等領域均具備較高推廣價值，市場需求潛力巨大。

3.結語

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。在此基礎上，本文涉及的一體化檢定裝置構成、一體化檢定裝置細節設計等內容，則直觀展示了一體化檢定裝置設計與實現路徑。為更好服務于壓力儀表檢定，容錯設計、異常情況處理等要點同樣需要得到重視。