壓力儀表設(shè)備全能檢定裝置研究

郭曉冉，張 軍，雷正偉，華 翔，劉 福

（1.解放軍32181 部隊(duì)，石家莊 050000；2.河北省電子信息產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)院，石家莊 050000）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國(guó)防建設(shè)、武器裝備保障等領(lǐng)域中，壓力是一個(gè)非常重要的檢測(cè)參數(shù)［1］。壓力儀表設(shè)備是要求強(qiáng)制檢定的儀表［2］，各類壓力儀器儀表大量應(yīng)用于生產(chǎn)、試驗(yàn)以及部隊(duì)各級(jí)武器裝備保障機(jī)構(gòu)，其對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行顯示、記錄、監(jiān)控、調(diào)節(jié)。近年來(lái)隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，壓力傳感器也得到廣泛應(yīng)用，壓力傳感器作為某些裝備、設(shè)施的前端測(cè)量和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，承擔(dān)著壓力測(cè)量、自動(dòng)控制等作用，廣泛應(yīng)用于航空航天、遙感測(cè)量、武器裝備等領(lǐng)域［3］，其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確與否，直接影響著裝備測(cè)量和保障任務(wù)的順利進(jìn)行［4-8］。由此可見，壓力儀器儀表及壓力傳感器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠十分重要。

壓力儀表設(shè)備主要有氣壓類和液壓類，具體有一般壓力表、精密壓力表、壓力傳感器等，用于檢定壓力儀表設(shè)備的裝置主要也是分為氣壓檢定類和液壓檢定類［9］。如果要同時(shí)滿足氣壓及液壓儀表的計(jì)量檢定要求，按照常規(guī)氣壓液壓檢定裝置設(shè)計(jì)，需要同時(shí)配備一套氣壓源及一套液壓源。一般情況下，具備輸出壓力（3.5～6）MPa 的空氣壓縮機(jī)，其體積達(dá)到了300 mm×350 mm×300 mm，重量達(dá)20 kg，很難滿足部隊(duì)巡檢中裝備計(jì)量檢定裝置機(jī)動(dòng)性和靈活性的要求［10］。文中研究設(shè)計(jì)了一種油氣一體化的全能壓力儀表設(shè)備檢定裝置，通過(guò)采用油氣增壓技術(shù)，使得氣壓源可以采用大氣這種低壓氣體作為介質(zhì)，減少了現(xiàn)有技術(shù)中氣壓類壓力儀表設(shè)備檢定裝置中諸如空氣壓縮機(jī)等體積、重量均比較大的設(shè)備，有效減少了檢定裝置的整體體積和重量，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)氣壓的大量程（3.5～6）MPa 檢定要求。

通過(guò)將一個(gè)液壓類儀表設(shè)備檢定裝置和一個(gè)氣壓類儀表設(shè)備檢定裝置進(jìn)行整合，使其具有兩種檢定功能，并由同一套控制系統(tǒng)控制，形成一個(gè)一體化的系統(tǒng)，然后配上數(shù)據(jù)處理模塊，可以對(duì)整個(gè)裝置內(nèi)的重要部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、生成報(bào)表，實(shí)現(xiàn)完整的壓力計(jì)量檢定功能，自動(dòng)化程度高，使用更加靈活，適用于部隊(duì)野外計(jì)量巡檢中裝備壓力儀表設(shè)備的計(jì)量檢定。

1 計(jì)量需求分析

1.1 被檢儀表技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)武器裝備中大部分壓力表和壓力傳感器的技術(shù)指標(biāo)分析，得出儀表設(shè)備主要測(cè)量范圍及測(cè)量誤差要求如下：

氣壓表：（0～0.16）MPa 的0.25 級(jí)精密壓力儀表、（0～4）MPa 的2.5 級(jí)壓力儀表；

液壓表：（0～6）MPa 的2.5 級(jí)儀表、（0～60）MPa的2.5 級(jí)儀表；

壓力傳感器：（0～5）MPa 的0.5 級(jí)傳感器。

1.2 檢定裝置功能要求

檢定裝置作為一般壓力表、精密壓力表及壓力傳感器的計(jì)量保障裝備，能夠按照需求產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)氣壓及液壓，可自動(dòng)完成對(duì)氣壓類、液壓類儀表和壓力傳感器的檢定和校準(zhǔn)任務(wù)。主要功能如下：

1）具備對(duì)微氣壓壓力測(cè)量設(shè)備和一般氣壓（含高氣壓）壓力測(cè)量設(shè)備進(jìn)行計(jì)量檢定、校準(zhǔn)或測(cè)試的能力；

2）具備對(duì)液壓壓力測(cè)量設(shè)備進(jìn)行計(jì)量檢定、校準(zhǔn)或測(cè)試的能力；

3）具備實(shí)時(shí)自動(dòng)采集處理測(cè)量數(shù)據(jù)的能力，可替代傳統(tǒng)手動(dòng)檢定，提高檢定效率，減少人為誤差；

4）能夠根據(jù)不同檢定規(guī)程的要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、半自動(dòng)化檢定。

2 總體設(shè)計(jì)

檢定裝置主要由硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)的主要作用是為被檢壓力儀表提供標(biāo)準(zhǔn)壓力源和標(biāo)準(zhǔn)壓力數(shù)值。根據(jù)被檢壓力儀表的使用要求不同，系統(tǒng)需提供氣壓源和液壓源，并能控制氣壓源與液壓源的工作轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)硬件控制程序和檢定程序組成，能夠?qū)崟r(shí)采集與處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量檢定的自動(dòng)化。檢定裝置可裝配于裝備計(jì)量檢定車上，執(zhí)行機(jī)動(dòng)計(jì)量保障任務(wù)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

檢定裝置硬件組成如圖1 所示，主要可分為4部分：高精度氣壓液壓源部分、壓力調(diào)節(jié)及穩(wěn)定控制部分、壓力標(biāo)準(zhǔn)器部分、數(shù)據(jù)采集及顯示部分等。

圖1 檢定裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 高精度氣壓液壓源

高精度氣壓液壓源部分為壓力計(jì)量檢定裝置的能源模塊，提供滿足要求的（0～0.16）Mpa 的微氣壓、（0～6）MPa 的氣壓以及（0～60）MPa 的液壓。

高精度氣壓液壓源為氣壓壓力儀表、液壓壓力儀表的計(jì)量檢定提供所需的壓力及流量。主要由不銹鋼油箱系統(tǒng)、集成閥塊、管路系統(tǒng)、電機(jī)泵、冷卻系統(tǒng)、電氣控制、油氣增壓裝置、電動(dòng)氣泵組成，如圖2 所示，其中油氣增壓裝置實(shí)現(xiàn)油與氣隔離，并實(shí)現(xiàn)氣壓源中氣體的檢定氣壓從低壓狀態(tài)變成高壓狀態(tài)，達(dá)到6 MPa 的氣壓計(jì)量檢定要求。油氣增壓裝置的工作原理為：采用高壓油缸與一個(gè)增壓氣缸結(jié)合為一體式增壓裝置，以油壓作為動(dòng)力，利用增壓裝置大小活塞面積之比例，通過(guò)兩位四通換向閥往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而不斷地對(duì)大氣壓力增壓，可將大氣的低壓提高數(shù)十倍，使其達(dá)到氣壓壓力儀表的計(jì)量檢定要求，供氣壓計(jì)量檢定使用。通過(guò)油氣增壓裝置可以實(shí)現(xiàn)與超高壓液壓回路的一體化設(shè)計(jì)，從而在滿足技術(shù)要求的情況下使得系統(tǒng)體積得到大幅縮小。

圖2 高精度壓力源組成

2.1.2 壓力調(diào)節(jié)及穩(wěn)定控制部分

壓力調(diào)節(jié)及穩(wěn)定控制部分為壓力計(jì)量檢定系統(tǒng)的穩(wěn)定控制模塊，對(duì)氣壓液壓源輸出的壓力進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)及穩(wěn)定控制，防止壓力的過(guò)沖，從而穩(wěn)定輸出設(shè)定的氣壓壓力或液壓壓力。由精密流量調(diào)節(jié)閥、比例溢流閥、高速二位三通換向閥、高速二位二通閥、超高壓壓力傳感器、氣壓儲(chǔ)氣罐、氣壓穩(wěn)定器、超高壓蓄壓器、中壓蓄壓器及檢定接口等組成。

2.1.3 壓力標(biāo)準(zhǔn)器

壓力標(biāo)準(zhǔn)器部分可分為微氣壓標(biāo)準(zhǔn)、氣壓標(biāo)準(zhǔn)和液壓標(biāo)準(zhǔn)，主要為壓力計(jì)量檢定提供標(biāo)準(zhǔn)壓力值，用于與被檢壓力表比對(duì)。

1）氣壓壓力標(biāo)準(zhǔn)器

微氣壓壓力標(biāo)準(zhǔn)器：根據(jù)JJG49-2013《彈簧管式精密壓力表和真空表》檢定規(guī)程［11］規(guī)定，壓力標(biāo)準(zhǔn)器的允許誤差絕對(duì)值應(yīng)不大于被檢精密表允許誤差絕對(duì)值的1/4。根據(jù)被檢精密壓力表允許誤差為0.25 級(jí)，選擇微氣壓標(biāo)準(zhǔn)器的允許誤差應(yīng)不大于0.05 級(jí)。因此，選取壓力標(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)量范圍：（0～0.2）MPa，允許誤差：±0.05%。

一般氣壓壓力標(biāo)準(zhǔn)器：根據(jù)JJG52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表、真空表》檢定規(guī)程［12］及JJG860-2015《壓力傳感器（靜態(tài)）》檢定規(guī)程［13］規(guī)定，壓力標(biāo)準(zhǔn)器基本誤差是被檢壓力傳感器基本誤差的1/3，一般壓力表標(biāo)準(zhǔn)器準(zhǔn)確度等級(jí)為被檢壓力儀表基本誤差的1/4，因此，氣壓標(biāo)準(zhǔn)器選型時(shí)應(yīng)滿足其基本誤差為±0.17 %。因此，選取壓力標(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)量范圍：（0～20）MPa，測(cè)量誤差：±0.075%。

2）液壓壓力標(biāo)準(zhǔn)器

液壓壓力標(biāo)準(zhǔn)器：根據(jù)JJG52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表、真空表》檢定規(guī)程［12］規(guī)定，壓力標(biāo)準(zhǔn)器的最大誤差需為被檢壓力儀表最大允差的1/4。液壓檢定系統(tǒng)中需要檢定的壓力儀表準(zhǔn)確度等級(jí)為2.5 級(jí)，從而標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度等級(jí)優(yōu)于0.5 級(jí)。因此，選擇壓力標(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)量范圍：（0～70）MPa，測(cè)量誤差：±0.075%。

2.1.4 數(shù)據(jù)采集及顯示部分

數(shù)據(jù)采集及顯示部分對(duì)被檢壓力表和壓力傳感器及壓力標(biāo)準(zhǔn)器的輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、生成報(bào)表，并與氣壓液壓源及壓力調(diào)節(jié)及穩(wěn)定控制組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)檢定裝置的完整計(jì)量檢定功能。該部分采用先進(jìn)的微電子技術(shù)及微機(jī)輔助測(cè)控技術(shù)，對(duì)檢定系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、檢定數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理、檢定報(bào)告的打印等工作。同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)油溫控制及顯示、液位檢測(cè)、過(guò)濾器堵塞報(bào)警、電機(jī)運(yùn)行指示、換向閥通電指示、壓力顯示、各種安全狀態(tài)監(jiān)控及顯示等。

2.2 檢定原理

壓力檢定的基本工作過(guò)程是：將靜態(tài)壓力同時(shí)施加在壓力標(biāo)準(zhǔn)器及被檢壓力表上，并記錄壓力標(biāo)準(zhǔn)器示值及被檢壓力表在此壓力作用下輸出值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在等間隔（或近似等間隔）的不同壓力點(diǎn)上按照進(jìn)程、回程的順序重復(fù)以上過(guò)程，可得到被檢壓力表標(biāo)準(zhǔn)輸入值與輸出值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而對(duì)被檢壓力表的性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定。

因此，檢定裝置的檢定原理是：采用比對(duì)法，數(shù)據(jù)采集及顯示部分中電氣控制部分驅(qū)動(dòng)高精度氣壓液壓源，產(chǎn)生所需的氣壓壓力或液壓壓力，經(jīng)過(guò)壓力調(diào)節(jié)及穩(wěn)定控制部分后，同步輸出給被測(cè)壓力表及壓力標(biāo)準(zhǔn)器，壓力標(biāo)準(zhǔn)器與被檢壓力表的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行處理及反饋控制，使得壓力標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)試的系統(tǒng)壓力（氣壓或液壓）穩(wěn)定在設(shè)定值。此時(shí)，使用處理軟件對(duì)壓力標(biāo)準(zhǔn)器與被檢壓力表的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、記錄與數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)預(yù)設(shè)的檢定規(guī)程判定被檢表是否合格，輸出結(jié)果。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)相應(yīng)軟件開發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)完成軟件功能開發(fā)、人機(jī)交互設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)檢定裝置的功能需求。軟件部分主要由硬件控制程序和檢定程序組成，按照檢定裝置的功能需求，詳細(xì)設(shè)計(jì)了各功能模塊，能夠?qū)崟r(shí)采集與處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)壓力儀表及壓力傳感器設(shè)備檢定的自動(dòng)化、數(shù)字化管理。

2.3.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件以窗體為劃分單位，按照功能進(jìn)行組合，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)即窗體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。主要功能包括：系統(tǒng)用戶注冊(cè)、啟動(dòng)密碼設(shè)定或修改等功能；對(duì)用戶的權(quán)限管理，不同類型的用戶具備不同的系統(tǒng)訪問(wèn)權(quán)限，具體分為超級(jí)用戶與一般用戶；實(shí)施對(duì)壓力傳感器、一般壓力表、精密壓力表的校準(zhǔn)或檢定，檢定過(guò)程嚴(yán)格按照相應(yīng)檢定規(guī)程，在其量程范圍內(nèi)選擇多個(gè)數(shù)值點(diǎn)進(jìn)行正行程和反行程的測(cè)試；在測(cè)試、校準(zhǔn)或檢定完成后，程序?qū)ζ浣Y(jié)果進(jìn)行分析和處理，并把檢定信息及時(shí)儲(chǔ)存于相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖3 軟件窗體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)不確定度分析與評(píng)定

檢定裝置的測(cè)量不確定度是衡量計(jì)量檢定/校準(zhǔn)工作可靠性的重要指標(biāo)，也是衡量被檢壓力儀表設(shè)備溯源結(jié)果的主要依據(jù)。為保證檢定裝置對(duì)壓力儀表設(shè)備測(cè)量的準(zhǔn)確度，需對(duì)測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。

3.1 測(cè)量不確定度分析

主要從設(shè)備測(cè)量精度、測(cè)量環(huán)境等方面分析系統(tǒng)不確定度來(lái)源：

1）壓力標(biāo)準(zhǔn)器分辨力引入：壓力標(biāo)準(zhǔn)器的分辨力是影響系統(tǒng)測(cè)量不準(zhǔn)確的一個(gè)因素。

2）壓力標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量精度引入：壓力標(biāo)準(zhǔn)器本身存在測(cè)量誤差，其引入的不確定度分量。

3）標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器溫漂引入：標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器隨溫度變化產(chǎn)生的不穩(wěn)定性引入的誤差，由于標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器采用了石英諧振傳感器，該傳感器在（0～50）℃范圍內(nèi)進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，所以該項(xiàng)誤差可以忽略不計(jì)。

4）A/D 模塊引入：A/D 模塊的作用是將被檢儀器輸出的電流或電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便于計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行采集、處理。

5）檢定環(huán)境對(duì)系統(tǒng)影響：系統(tǒng)工作環(huán)境的溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，由于檢定時(shí)嚴(yán)格按照檢定規(guī)程要求控制環(huán)境溫度，因此，該項(xiàng)引入的誤差可忽略不計(jì)。

3.2 系統(tǒng)測(cè)量不確定度評(píng)定

3.2.1 A 類不確定度評(píng)定

A 類不確定度是指測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量，因本檢定裝置無(wú)測(cè)量重復(fù)性數(shù)據(jù)，此項(xiàng)忽略。

3.2.2 B 類不確定度評(píng)定

B 類不確定度評(píng)定主要指由測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的誤差。

1）壓力標(biāo)準(zhǔn)器的最小分辨力引入的不確定度u1

微氣壓壓力標(biāo)準(zhǔn)器的最小分辨力為0.00001MPa，服從均勻分布，由其引入的測(cè)量不確定度為：

一般氣壓壓力標(biāo)準(zhǔn)器的最小分辨力為0.001 MPa，服從均勻分布，由其引入的測(cè)量不確定度為：

液壓壓力標(biāo)準(zhǔn)器的最小分辨率為0.01 MPa，同上，由其引入的測(cè)量不確定度為：

2）壓力標(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)量精度的不確定度u2

微氣壓壓力標(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)量精度為0.05%，服從均勻分布，由其引入的測(cè)量不確定度為：

一般氣壓壓力標(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)量精度為0.075%，服從均勻分布，由其引入的測(cè)量不確定度為：

液壓壓力標(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)量精度為0.075%，服從均勻分布，由其引入的測(cè)量不確定度為：

3）A/D 模塊引入不確定度u3

A/D 模塊的實(shí)測(cè)精度為0.02%，服從均勻分布：

3.2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

3.2.4 擴(kuò)展不確定度U

結(jié)論：該壓力檢定裝置的擴(kuò)展不確定度不大于被檢壓力表、壓力傳感器準(zhǔn)確度的1/4，滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，適用于氣壓、液壓儀表設(shè)備的計(jì)量檢定。

4 結(jié)論

通過(guò)分析武器裝備中配套的常見壓力儀表、精密壓力表及壓力傳感器的計(jì)量保障需求，研究設(shè)計(jì)了一種壓力儀表設(shè)備全能檢定裝置，將液壓類儀表設(shè)備的檢定裝置和氣壓類儀表設(shè)備的檢定裝置進(jìn)行整合，使其具備對(duì)氣壓儀表、液壓儀表和壓力傳感器等壓力儀表設(shè)備進(jìn)行計(jì)量檢定、校準(zhǔn)或測(cè)試的能力；油氣增壓裝置的設(shè)計(jì)，使得氣壓源可以采用大氣這種低壓氣體作為介質(zhì)，減少了空氣壓縮機(jī)等體積、重量均比較大的設(shè)備。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，使用靈活，適用于外場(chǎng)壓力計(jì)量，尤其是部隊(duì)遂行計(jì)量保障中裝備壓力儀表的檢定。