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无旋转活塞式压力计及其控制系统开发

孙伟腾  
【摘要】:压力计量其目的就是保证压力检测仪表所测压力值精确可靠,服务于压力计量领域的活塞式压力计是一种高准确度、高复现性和高可信度的压力计量检定仪器,是压力校准、检定和量值传递的必备标准器。其功能实现是基于帕斯卡定律和流体静力学原理,由校验器、专用砝码和活塞系统三部分组成。利用专用砝码产生的重力和液体对活塞作用力相平衡来检测压力,并通过校验器调节压力值。然而,传统活塞式压力计在还多存在着自动化程度低、活塞系统机械摩擦影响大、操作时需旋转砝码等可提升之处,这些因素致使活塞式压力计工作时操控难度大、计量精度低,且因人为因素导致更多误差累积,影响到科研、生产和计量工作的顺利进行。 本课题源自与吉林省科学计量院合作项目“10MPa无旋转活塞式压力计”,以提高压力计量标准器的执行精度、自动化水平和工作效率为目的,研制了一种全新型无旋转活塞式压力计。本论文主要对设备的结构实现、功能原理进行了设计,着重论述了控制系统的开发。 无旋转活塞式压力计同样基于帕斯卡定律和流体静力学原理,通过砝码作用于活塞产生压力值,但采用滚动摩擦活塞系统、砝码电动独立加卸载方式和伺服压力校验机构。活塞和活塞筒之间采用滚动点接触,将系统间的机械摩擦由滑动转为滚动,降低了摩擦力对检定精度的影响,且省略了对砝码的旋转,简化了活塞系统的制造工艺。通过吊挂机构将砝码下置反向作用于活塞,提高执行稳定性,砝码采用电动独立方式加卸载,可完成任意形式组合。驱动组件为“电机驱动凸轮机构”模式,带动砝码沿滚动导轨在竖直方向运动,并通过接近开关限位。压力校验器采用伺服电机调节柱塞缸工作,利用位移传感器监控活塞位置,将信号反馈给处理单元,当因施加砝码导致油液泄露压力值不稳时,计算机根据反馈信号发出相应命令控制伺服系统动作,调节柱塞行进速度补偿泄露量,恢复压力值的稳定。伺服压力校验机构的采用,实现了压力校验的全自动化执行,更加精确可靠。 本课题开发的控制系统是基于“PC机+控制卡”模式,根据设备功能要求和元件的兼容性确定了硬件组成,并按照设备的执行流程和控制需要开发了控制软件。硬件主要包括:运算处理单元、数据采集单元、执行动力源和其他电器元件,文中对硬件的主要性能参数做了介绍,分别从砝码加卸载和压力校验单元设计了电气线路,实现了控制系统的搭建。基于Windows操作系统平台,采用VC++为工具开发了控制软件,设计了人机交互界面,便于更加直观、形象的操作设备。主要控制标准压力值的产生与释放、控制模块的调度、实验数据的处理、运行状态的跟踪以及突发事件的监测与处理等任务。 最后通过压力传感器的检定实验论证了控制系统的可行性,跟踪控制软件的信息交互情况,论证了无旋转活塞式压力计可按照压力计量仪表的检定规程实施具体操作,符合计量标准。


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