无线压力采集仪校准装置研究

周四清，吴双双，曾麟，宋扬

(湖南省计量检测研究院，湖南长沙410014)

0 引言

压力灭菌器、高压试验机等压力设备都安装有压力监测仪表［1-2］。由于密封性要求以及数字化的结构，将压力仪表拆卸后进行实验室校准较为不便，且影响压力容器密封性［3］。随着无线传感技术的发展，无线压力数据采集仪应用于密闭容器的压力校准［4］。无线压力数据采集仪的使用环境不同于常规压力测量仪器，不具备常规压力接口，使用最高温度通常超过100℃［5］。

目前，无线压力数据采集仪的校准主要在常温下进行，将采集仪置入密闭容器，给容器施加压力，通过比较法校准［6］。当前校准方法的缺陷主要在于校准环境与采集仪的实际使用环境温度存在较大差异，温度对采集仪测量结果的影响不可忽略。研制一种温度可调的无线压力采集仪校准装置，是实现不同温度下无线压力采集仪校准的关键。

1 系统设计

系统工作原理图如图1所示，系统由压力测试罐、恒温器、加压装置、控制器等组成［7］。压力测试罐为采集仪的校准提供一个压力气氛容器;加压装置提供气体压力源给压力罐加压;恒温器为压力测试罐提供恒温环境，使校准时温度稳定和温场均匀;控制器用于控制加压系统、恒温器、采集压力测试罐传感器数据、控制检测流程、与上位机通信等。

图1 校准装置系统结构图

2 装置结构设计

校准装置的结构设计主要包括恒温器结构设计、压力测试罐结构设计和加压装置设计。

2.1 恒温器

恒温器采用干式恒温方式，其结构如图2所示。恒温器内腔采用导热系数很高的刚玉管以提高恒温腔内部的温度均匀性。恒温腔的刚玉管上分三段绕制镍铬合金材质的加热丝，可通过调节不同段加热丝的加热功率输出进行加热恒温。在恒温腔与外壳之间填充氧化铝保温棉，来减少热量的耗散。

图2 恒温器结构示意图

2.2 压力测试罐

压力测试罐如图3所示，由罐体、数字压力计、进气阀、排气阀、恒温槽和温度传感器组成。使用装置时将无线压力数据采集仪置入测试罐，将测试罐盖拧紧保证密封后，外部压力气源经进气阀给压力测试罐加压。数字压力计作为标准器指示压力测试罐的压力实际值，采用螺旋管与罐体连接，利用螺旋管与环境换热作用来使螺旋管内气体的温度与环境温度相近，满足标准器的测量环境要求;恒温器为压力测试罐提供一个温度可调节的恒温环境;温度传感器用来监测恒温腔内温度。

图3 压力测试罐结构示意图

2.3 加压装置

加压装置结构如图4所示，由气泵、电动气阀、缓冲罐以及压力变送器组成。气泵提供气体压力源，电动阀门用于控制气路的通断，变送器用来监测缓冲罐内压力。气泵启动后给压力缓冲罐加压至一定压力值，关闭进气阀门;然后打开放气阀门将压力气体输送给测试罐，缓冲罐内气压达到预定值时，关闭放气阀。采用缓冲罐的结构减少气泵加压时气压波动的影响，可以更好地实现压力平稳控制。

图4 加压装置结构示意图

3 控制策略与方法

3.1 温度控制

恒温器采用干式恒温器，为保证温度均匀性，采用三段式控温。三段式控温是将整个控温区域分为上控温区(A 段)、恒温区(B 段)、下控温区(C 段)来控制。三段式控温可以根据不同温度下热流来调整控制，通过控制上下控温区的温度来保证恒温区的温度均匀性。

温度控制采用目标值逐步逼近的PID 控制方式，以减小温度控制超调。恒温区最终控制目标为设定温度值，上下控温区跟随恒温的温度进行随动控制，以提高恒温区的温度均匀性和稳定性。图5 为温度控制子程序图。

3.2 压力控制

压力控制通过空压泵对缓冲罐输入一定压力的气体，然后根据测试罐中的需要打开阀门，释放压力气体进入测试管，使测试罐的压力达到设定目标值。设测试管的压力为p0、体积为V0、温度为T0，测试管压力目标值为p0';缓冲罐的压力为p1、体积为V1、温度为T1，加压过程缓冲罐的压力变化值为Δp1。缓冲罐向测试罐加压的过程可以根据理想气体状态方程按照式(1)控制缓冲罐的压力，实现控制目标值。

图5 温度控制子程序

为了提高加压准确度，可以采用步进方式进行加压，逐步提高到目标值，根据实际偏差对每一步进行适度调整［8］。

4 测量软件流程

装置主流程如图6所示，首先初始化传感器、压力罐、温度测量控制等，测试系统工作是否正常。设置校准温度点和压力值后，开始控制温度;当温度达到目标值时，给压力罐加压至目标压力;等待压力罐内温度平衡、压力稳定后开始比较法测量，测量完成即可开始下一个校准点的压力测量。

5 试验结果

采用本文研制的校准装置对三支某进口厂家标称引用误差为0.4%的无线压力采集仪进行校准。

测量标准选用0.02 级的数字压力计，分别在室温、50℃，110℃下进行测量，测量结果见表1。通过对测量结果进行不确定度评定，可得其扩展不确定度为0.06%。由试验结果和不确定度可以看出，试验结果符合校准要求。

图6 测试流程图

表1 试验结果

6 结束语

本文为解决非常规环境温度下压力测量用的无线压力采集仪的校准，介绍了采用三段控温的干式恒温炉以及自动压力调节的无线压力采集仪校准装置的设计与制作，实现了不同温度下无线压力采集仪的校准，使校准结果更加符合应用环境。目前市场上的无线压力数据采集仪准确度等级为0.4 级，试验结果表明，该装置功能及测量不确定度满足无线压力采集仪对校准装置的要求。

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