液壓脈沖綜合檢定裝置的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

吳春梅，劉開(kāi)緒，侯新宇，張為民，董鵬，李博，張占勝，譚淑梅

（1.大慶師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江大慶，163712；2.大慶黑帝廟稠油試采技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，黑龍江大慶，163712；3.西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川瀘州，646000；4.大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心，黑龍江大慶，163712）

0 引言

根據(jù)調(diào)研了解，對(duì)于抗（耐）震壓力表的檢測(cè)裝置的研究開(kāi)發(fā)，在國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有廣泛開(kāi)展，在2009年由北京斯貝克公司生產(chǎn)了一臺(tái)SPMK991Z耐抗振壓力表校驗(yàn)臺(tái)并申請(qǐng)專利，在西安市高精密儀表廠生產(chǎn)了一臺(tái)耐震壓力表檢定臺(tái)，同時(shí)查閱文獻(xiàn)在大科技期刊的2011.02期發(fā)表文章耐震壓力表的技術(shù)規(guī)范及測(cè)試方法一文中介紹了壓力表的特性及工作原理，并從外觀、耐震性等方面闡述了壓力表的一些技術(shù)要求，并說(shuō)明了測(cè)試的過(guò)程和方法。在2013年儀表電氣期刊中由張闖發(fā)表了一篇耐震壓力表檢定系統(tǒng)的分析，在文中介紹了耐震壓力表系統(tǒng)的組成，測(cè)量范圍為0～100MPa，同時(shí)采用PID算法閉環(huán)控制比例溢流閥，開(kāi)環(huán)控制電機(jī)采用攝像頭實(shí)時(shí)采集壓力表示數(shù)。現(xiàn)在我所現(xiàn)使用的就是由北京斯貝克公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，但由于開(kāi)發(fā)存在問(wèn)題，設(shè)備不能滿足規(guī)范要求，從技術(shù)角度已經(jīng)落后，其他科研單位和行業(yè)廠家現(xiàn)有開(kāi)發(fā)此項(xiàng)目技術(shù)都差不多，都不能滿足現(xiàn)在油田上要同時(shí)自動(dòng)檢定多塊抗震壓力表的需要，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息及時(shí)傳輸、數(shù)據(jù)共享等要求，故立項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)抗（耐）震壓力表的檢測(cè)裝置是必要的。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 三維振動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)

為了產(chǎn)生振動(dòng)，設(shè)計(jì)獨(dú)立于造壓裝置之外的三維振臺(tái)，液壓連接采用超高壓軟管連接，振臺(tái)的振動(dòng)頻率和振幅可調(diào)，電參數(shù)進(jìn)測(cè)控系統(tǒng)與壓力信號(hào)同步獲取記錄，保證各參數(shù)可追溯。按照用戶對(duì)振動(dòng)臺(tái)的要求：振動(dòng)頻率10Hz～60Hz,振幅0.15mm，可同時(shí)進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)測(cè)試。通過(guò)AC-DA-AC二次變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率可調(diào)。

為了產(chǎn)生振動(dòng)，設(shè)計(jì)獨(dú)立于造壓裝置之外的三維振臺(tái)。圖1是三維震動(dòng)裝置模型，任務(wù)落實(shí)后需要與壓力表座、脈動(dòng)源結(jié)合進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

圖1 三維振動(dòng)裝置

最終達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1

三維振臺(tái)與液壓測(cè)試數(shù)據(jù)連接采用超高壓軟管連接，振臺(tái)的振動(dòng)頻率和振幅可調(diào)，電參數(shù)進(jìn)測(cè)控系統(tǒng)與壓力信號(hào)同步獲取記錄。

1.2 高壓脈沖及低壓脈沖裝置

高壓脈沖裝置和低壓脈沖裝置采用氣驅(qū)液方案基于力平衡控壓原理，采用氣體當(dāng)做驅(qū)動(dòng)源，同時(shí)采用大變比活塞，實(shí)現(xiàn)了高低壓的檢測(cè)。

(1)預(yù)壓過(guò)程：保持電動(dòng)截止閥9開(kāi)啟狀態(tài)，關(guān)閉泄壓閥10，啟動(dòng)預(yù)壓液泵7，系統(tǒng)開(kāi)始升壓，當(dāng)壓力接近第一個(gè)鑒定點(diǎn)時(shí)關(guān)閉電動(dòng)截止閥9，即完成預(yù)壓過(guò)程。液體過(guò)濾器8對(duì)液體介質(zhì)如變壓器油進(jìn)行過(guò)濾。

(2)加壓和檢定點(diǎn)控制過(guò)程：開(kāi)啟進(jìn)氣電磁閥3，氣體進(jìn)入增壓缸前端，系統(tǒng)開(kāi)始升壓，通過(guò)進(jìn)氣電磁閥3和排氣電磁閥4配合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)壓力鑒定點(diǎn)的控制。

(3)降壓和檢定點(diǎn)控制過(guò)程：開(kāi)啟排氣電磁閥4，氣體流出增壓缸前端，系統(tǒng)開(kāi)始降壓，通過(guò)進(jìn)氣閥3和排氣閥4配合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)壓力鑒定點(diǎn)的控制。

圖2 氣驅(qū)液原理圖

(4)泄壓過(guò)程（零點(diǎn)檢定）：開(kāi)啟電動(dòng)截止閥9和泄壓閥10系統(tǒng)與大氣連通，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)檢定。

若二次增壓采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，可以省去氣源等，接通電源即可工作，方便于使用。與氣驅(qū)相比，造壓的工藝管路不同，多塊儀表同時(shí)檢定需要考慮缸體和壓力管路容積，可以提高預(yù)壓壓力或考慮增壓雙缸并行工作等方案，提高造壓速度，同時(shí)考慮0.6MPa壓力的穩(wěn)定控制。

氣源進(jìn)氣有過(guò)濾器、排氣有消音器，油路上也設(shè)有過(guò)濾器。振動(dòng)臺(tái)部分設(shè)有減震墊，以減小噪音的產(chǎn)生和外擴(kuò)。

在測(cè)試過(guò)程中，脈動(dòng)壓力參數(shù)、振動(dòng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確設(shè)置，并且可以溯源。

振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值、振動(dòng)方向參數(shù)可調(diào)節(jié)顯示，具備定頻、掃頻、頻率參數(shù)、三維振幅顯示，錄入校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表格保存功能等自動(dòng)功能和手動(dòng)功能。脈動(dòng)壓力參數(shù)以波形或數(shù)據(jù)表格的格式顯示并保存，可溯源。

1.3 自動(dòng)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)

自動(dòng)控制核心部件壓力控制器實(shí)現(xiàn)造壓?jiǎn)卧獕毫Ξa(chǎn)生執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)、振臺(tái)參數(shù)調(diào)節(jié)信號(hào)，及標(biāo)準(zhǔn)壓力模塊和被檢壓力表/壓力傳感器測(cè)量值、振動(dòng)參數(shù)等信號(hào)的測(cè)量和處理，并形成閉環(huán)控制，以獲得穩(wěn)定的壓力、振動(dòng)等參數(shù)。圖4為控制框圖。

圖3 脈動(dòng)參數(shù)、振動(dòng)參數(shù)可溯源

圖4 控制框圖

控制單元相應(yīng)處理后的上位機(jī)指令，在升程檢定中完成預(yù)壓和增壓控制所需要的各種信號(hào)，在回程檢定中完成泄壓和機(jī)構(gòu)回原位控制所需要的各種信號(hào)。

造壓模塊單元包含執(zhí)行元件和測(cè)量顯示儀表，與控制單元信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)控制。其中，集線器完成各路信號(hào)的匯總，然后由32位單片機(jī)構(gòu)成的核心控制模塊負(fù)責(zé)處理各路信號(hào)，最后通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送給上位機(jī)。

振臺(tái)組件由震源、脈動(dòng)源和儀表組成，產(chǎn)生振動(dòng)、脈動(dòng)所需參數(shù)，參數(shù)傳給集線器。

無(wú)線發(fā)送模塊采用WIFI信號(hào)將控制模塊送來(lái)的信號(hào)向上位機(jī)發(fā)送，使得上位機(jī)與檢定裝置之間通過(guò)WIFI無(wú)線信號(hào)連接。

1.4 軟件

為了滿足檢定軟件方便易用，具有圖像處理系統(tǒng)，對(duì)被檢儀器儀表進(jìn)行信息化管理的要求，將被檢測(cè)的壓力表安裝在攝像頭下，將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給電腦并在電腦上顯示出來(lái)。

(1)檢定軟件能夠滿足抗（耐）震壓力表、普通壓力表、壓力變送器、壓力控制器等壓力儀表的檢定需要。

(2)檢定軟件能夠與中心信息系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通，能夠?qū)崿F(xiàn)電子記錄直接通過(guò)中心信息系統(tǒng)出具檢定證書(shū)。

(3)檢定軟件方便易用，具有圖像直觀顯示功能，對(duì)被檢儀器儀表進(jìn)行信息化管理。

(4)檢定軟件能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)機(jī)操作，共用一套數(shù)據(jù)庫(kù)，信息數(shù)據(jù)能在多個(gè)客戶端進(jìn)行同時(shí)使用。

(5)中心信息系統(tǒng)從接收室錄入的儀表基礎(chǔ)信息能夠被檢定軟件自動(dòng)錄入，檢定員只需進(jìn)行檢定數(shù)據(jù)采集錄入，數(shù)據(jù)計(jì)算處理及檢定結(jié)論均由檢定軟件完成，檢定員只需確認(rèn)打印證書(shū)，證書(shū)信息直接傳輸?shù)街行男畔⑾到y(tǒng)進(jìn)行證書(shū)打印。

(6)檢定軟件具有同時(shí)檢定錄入多塊儀表的檢定信息功能，滿足同時(shí)檢定多塊儀表的需要。

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

上位機(jī)配以對(duì)應(yīng)的無(wú)線路由器，以接收檢定裝置發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)信息，上位機(jī)軟件按照規(guī)則處理對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，上位機(jī)軟件自動(dòng)完成檢測(cè)數(shù)據(jù)的誤差處理、分析，并給出測(cè)試報(bào)告。圖6是上位機(jī)軟件的界面截圖。

圖6 檢定軟件界面

2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

(1)液體增壓器、連接臺(tái)、連接管路外觀及各靈活性檢查（見(jiàn)表2）。

表2

(2)液體增壓其、連接臺(tái)、連接管路輸出回路和密封性試驗(yàn)（見(jiàn)表3）。

表3

(3)液體增壓其、連接臺(tái)、連接管路輸出回路和密封性試驗(yàn)（見(jiàn)表4）。

表4

3 結(jié)語(yǔ)

液壓脈沖綜合檢定裝置采用壓力檢測(cè)裝置在脈動(dòng)作用下對(duì)耐震壓力儀表進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果能清晰在電腦屏幕上顯示，同時(shí)壓力裝置和振動(dòng)裝置采用高壓軟管連接，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)包括兩個(gè)部分，即壓力測(cè)試部分和振動(dòng)部分，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程中檢測(cè)結(jié)果不受振動(dòng)影響，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果有顯示，振動(dòng)幅度有溯源，壓力儀表安裝和拆卸方便，同時(shí)檢測(cè)該裝置可實(shí)現(xiàn)4臺(tái)測(cè)量范圍在100MPa內(nèi)的壓力儀表的自動(dòng)批量檢定，此外創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)壓力變送器的批量全自動(dòng)檢定，使其檢定效率提升了500%，進(jìn)一步提升了壓力實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化程度。