压力表通过弹性元件感知压力变化, 经机械或电子转换呈现, 例如：波登管压力表的波登管由铜合金等制成, 截面椭圆、形状弯曲, 一端接压力源, 压力介质使管壁受力致其形变, 传动机构放大自由端位移, 指针指示压力值; 膜片压力表以膜片为敏感元件, 膜片受压形变经转换机构带动指针; 波纹管压力表靠波纹管轴向伸缩测压。不同弹性元件各有所长, 波登管适用于高压且精度高, 膜片对微小压力敏感, 波纹管可承受一定过载且有精度。

依据国家计量检定规程JJG 52-2013《弹性元件式一般压力表、压力真空表和真空表》, 压力表计量性能关键指标有准确度、重复性、回程误差。准确度是测量值与真实值接近程度的核心指标, 以允许误差表征, 如1.6级、测量上限1 MPa的压力表, 允许误差± 0.016 MPa, 校验需用高精度压力源和精密传感器。重复性反映同一压力下多次测量示值分散度, 涉及仪表稳定性, 校验时多次测量同一压力点, 分析标准偏差评估结果, 智能校验装置可辅助排查重复性不符合要求的问题。回程误差是指压力增减时同一压力点正、反行程示值差值, 源于弹性元件形变滞后与机械摩擦, 校验需正反向施压对比示值, 智能校验装置借自动化控制与精准数据处理完成正反向校验, 确保所得结果能正确反映综合计量性能^[2]。

1.3.1 准确性原则

压力表智能校验装置需选高精度传感器。校验算法采用多点校验结合动态补偿算法, 按传感器特性曲线选多个校验点, 测量偏差构建误差补偿模型, 校验时依据实时数据和模型动态修正压力值, 降低多种误差影响^[3]。

1.3.2 可靠性原则

硬件冗余设计是关键, 对压力控制器、数据采集卡等关键部件冗余配置; 软件容错设计不可或缺, 校验软件融入错误检测与纠正代码, 监控各环节, 遇异常数据启动纠错程序修复或剔除数据并报警, 且具备自动保存断点功能; 防电磁干扰, 温控系统维持适宜温度; 优化结构、增加减震垫、选用抗震紧固部件应对机械振动, 全方位提升装置可靠性与稳定性, 保障长期稳定校验^[4]。

1.3.3 高效性原则

优化校验流程, 整合外观检查各环节, 借助自动化结构与智能控制系统协同运作。整体校验效率提高, 满足大规模、紧急校验任务时效要求。

2.1.1 压力源

压力源是压力表智能校验装置核心部件, 选型影响校验精度、稳定性和适用范围, 常见有活塞式压力源、空气压缩机、气动泵压力源3类。活塞式压力源靠活塞-气缸结构与砝码加载依帕斯卡定律产生精确压力, 精度可达± 0.01%FS（满量程）以上, 多用于国家级计量标准实验室作基准传递设备, 但结构复杂、操作繁琐、对环境振动敏感、效率低, 难以满足工业现场大量校验需求。空气压缩机如柱塞式电动泵, 由电机驱动柱塞运动增压, 压力调节范围宽、输出稳定, 可精准调控, 适用于中高压段校验, 常见于大型工业领域, 但运行有电磁干扰, 机械部件磨损需定期维护, 成本高。气动泵压力源以压缩气体驱动运动增压, 防爆性能好, 在易燃易爆环境使用安全系数高, 压力响应快, 不过输出压力受气源限制, 最高一般为0.6~1 MPa, 且需外接气源, 使用受限。本研究综合考虑, 实验室主要用活塞式压力源作基准; 施工作业现场配备便携空气压缩机或气动泵压力源, 依工况灵活切换模块, 保障校验准确性、高效性与安全性。

2.1.2 压力测量部分

压力传感器选型对压力表智能校验装置的测量精度和可靠性起关键作用, 主流类型有应变式、压阻式、电容式3种。应变式压力传感器基于应变效应, 结构简单、成本低、响应快, 适用于对成本敏感、精度要求适中的工业场合, 但易受温度等因素影响, 长期稳定性差, 高精度计量场景受限。压阻式压力传感器利用压阻效应, 灵敏度高、能测微小压力变化, 精度较高, 常用于精密测量, 不过对温度依赖性强, 需温度补偿电路保障精度。电容式压力传感器依据电容量随压力改变原理, 精度高、稳定性强、温度稳定性好、抗干扰优, 用于高精度、高可靠性测量场景, 但结构复杂、成本高、对电路要求高。综合考虑校验装置高精度、宽量程、高稳定性需求, 本研究选取电容式压力传感器作为核心测量部件, 其在特定量程校验场景中具有精度高、线性偏差小的特点, 配合温度补偿模块可在宽温环境稳定工作, 保障校验精度与可靠性。

信号调理电路肩负着优化压力传感器输出信号质量、匹配后续数据采集与处理系统需求的重任, 对保障整个校验装置测量精度起着关键支撑作用。

放大电路是信号调理首要环节。鉴于压力传感器输出电信号通常微弱, 采用高精度运算放大器搭建放大电路, 并依据传感器满量程输出与后续电路输入范围, 合理设置放大倍数, 如针对输出为0~10 mV的传感器, 设计放大倍数为1 000倍的放大电路, 将信号提升至0~10 V, 确保适配后续模数转换器输入范围, 避免因信号过小导致量化误差增大或无法有效采集。

滤波电路能有效剔除信号噪声干扰, 工业现场充斥各类电磁干扰与工频噪声, 严重影响测量精度。选用低通、高通、带通与带阻滤波器组合, 依据压力信号频率特性设置截止频率：测量静态或缓变压力时, 设置低通滤波器截止频率在100 Hz以下, 有效滤除高频电磁干扰; 若存在工频干扰, 配合50 Hz陷波器, 精准去除工频噪声, 还原纯净压力信号, 确保测量数据真实反映压力变化。

模数转换电路（ADC）是模拟信号与数字世界的桥梁。依据装置测量精度与速度需求, 选取高精度、高速型ADC芯片, 其超高分辨率确保对微小压力变化精准量化, 可量化误差低至微伏级; 同时, 合理设置采样频率, 依据奈奎斯特采样定理, 采样频率至少为信号最高频率2倍以上, 对于动态压力测量场景, 确保采样频率满足信号实时捕捉需求, 将模拟压力信号精准转换为数字代码, 为后续数据处理、分析与校验判定提供高精度数字化基础, 保障整个校验装置测量精度与可靠性达成最优状态^[5]。

2.1.3 控制系统

控制器选型严重影响装置性能, 现主要有PLC、单片机、工控机3种类型。PLC可靠性强, 采用工业级元件, 抗电磁干扰, 能在复杂工业环境稳定运行; 编程用梯形图语言, 易上手且便于开发控制逻辑; 模块化架构便于扩展, 常用于大型工业生产线等对可靠性、扩展性要求高的场景。单片机成本低, 对预算有限、功能需求单一的项目有吸引力; 体积小, 适合便携检测场景; 开发灵活但难度大, 抗干扰能力弱于PLC, 在复杂环境稳定性欠佳。工控机性能强劲, 能快速处理大量校验数据, 接口丰富, 便于与外部设备连接, 软件资源多, 但成本高、体积大、功耗高。综合考虑装置高精度、强抗干扰、复杂控制逻辑及功能拓展需求, 本研究选取PLC作为核心控制器, 如西门子S7-1200系列PLC, 运算速度快, 可精准执行算法调控压力, 通信接口丰富, 能实现高速传输与协同工作, 自诊断功能强, 可保障装置长期稳定运行, 筑牢校验根基^[6]。

控制电路作为连接控制器与各硬件组件的关键纽带, 其设计合理性直接决定压力表智能校验装置运行可靠性与稳定性, 需精细考量接口设计、驱动能力以及隔离保护等因素。

驱动动力保障执行部件获得充足动力。电动压力源电机启动瞬间电流较大, 需在控制电路中配置功率驱动模块, 如采用大功率场效应晶体管（MOSFET）搭建驱动电路, 依据电机额定电流、电压参数选型适配MOSFET, 确保能稳定输出大电流驱动电机平稳启动与运转, 避免因驱动不足导致电机堵转、转速不稳等问题; 自动化装夹机构的电机、电磁阀等执行元件, 同样依据负载特性匹配相应驱动芯片, 提供足够电压、电流, 实现快速、精准动作, 提升校验效率与装夹可靠性。

隔离保护为系统稳定运行筑牢防线。在工业现场, 强电磁干扰、电压浪涌频发, 极易冲击控制电路引发系统故障。为此, 在关键接口处, 如控制器对外通信接口、电源输入接口, 增设光电隔离器件, 利用光信号单向传输特性切断电气连接, 隔离外部干扰信号传入, 确保控制器核心电路不受电磁噪声侵袭; 同时, 电源输入线路安装浪涌保护器, 当遭遇雷击、电网电压突变等浪涌冲击时, 迅速将过电压钳制在安全范围, 保护电路元件免受高压损坏, 保障校验装置在复杂恶劣工业环境中可靠运行, 为压力表持续、精准校验提供坚实硬件支撑。

在压力表智能校验装置中, 总控系统以计算机为核心, 并集成数据采集卡、通信接口、PLC及电源等关键模块构成完整控制系统。其中数据采集卡因其对装置的性能影响大而成为关键点; 通信接口作为压力表智能校验装置与外部系统交互的关键通道, 肩负着数据传输、指令交互与系统协同重任, 其合理设计直接决定装置的可扩展性、远程操控性以及在智能化生产网络中的融合能力, 亦为关键环节。

2.2.1 数据采集卡

数据采集卡对压力表智能校验装置性能影响重大, 其选型关乎数据采集的精度、速度与可靠性。在采样率上, 校验时压力信号有稳态和动态之分, 按奈奎斯特采样定理, 常规工业压力表校验建议选采样率不低于每秒10万次的采集卡, 高精度动态压力测量场景则需提升到每秒100万次甚至更高, 以防信号混叠失真, 为后续分析提供数据基础。分辨率体现采集卡对微小信号变化的感知能力, 高分辨率可细分模拟信号、降低量化误差, 高精度校验优先选24位及以上分辨率采集卡, 以保障测量精度在± 0.05% FS以内, 实现高精度采集处理。通道数要结合实际场景和传感器布局：工业现场多表校验或多测点同步监测时, 选多通道采集卡实现并行采集, 保证数据同步完整; 单表校验或测点少的简单应用, 4通道左右采集卡即可平衡性能与成本。复杂校验场景若对多传感器同步性要求高, 需用具备硬件同步触发功能的采集卡, 精确控制通道同步采集, 保障多源数据同步精度, 支撑高精度校验与故障诊断, 满足多样化计量需求。

2.2.2 通信接口

RS-485接口作为一种成熟、广泛应用的工业通信标准, 以其出色的长距离传输稳定性与多节点连接能力而备受青睐。其采用差分信号传输, 有效抵御工业现场电磁干扰, 传输距离可达千米量级, 在石油施工作业区域分散的压力表校验场景优势显著。例如, 石油施工沿线分布众多压力监测点, 各节点压力表通过RS-485总线串联, 可实现数据远距离汇聚至中控室集中监测与管理。USB接口以其高速传输特性与即插即用功能, 为本地数据交互、设备调试带来极大便利。在数据传输速率上, USB 2.0接口理论带宽可达480 Mbps, USB 3.0接口更是飙升至5 Gbps, 能够满足海量校验数据快速拷贝需求, 如将单次大规模校验结果迅速传输至外部存储设备备份; 在校验装置调试阶段, 通过USB接口连接便携式计算机, 工程师可便捷对装置内部参数、控制算法进行在线调整优化, 无需复杂布线与专业调试工具, 降低开发维护难度, 缩短装置研发周期, 提高现场问题解决效率。

以太网接口依托其强大网络接入能力, 为压力表智能校验装置融入物联网、实现远程监控与智能化管理赋能。在智能架构下, 校验装置通过以太网接入企业局域网, 将实时校验数据、设备状态信息推送至云端服务器或上位机管理系统, 可实现数据跨地域共享, 方便企业管理层、技术专家远程实时掌握生产现场压力计量情况, 及时决策调度。通过RS-485、USB、以太网多接口协同布局, 全方位满足压力表智能校验装置不同层次、不同场景通信需求, 推动计量技术与现代工业信息化深度融合发展。

执行系统主要由扫描枪、工业摄像机、机械手、上料架和下料架5部分构成。这些设备相互配合, 实现从压力表上料、信息读取、自动校验、结果检测到下料的全流程自动化操作。上料架用于存放待校验的压力表, 其结构设计充分考虑了压力表的尺寸和形状, 采用分层式或托盘式布局, 确保存放过程中稳定且便于机械手抓取。

当系统接收到校验指令后, 机械手依据预设的抓取路径, 从上料架准确抓取待校验的压力表。在抓取过程中, 机械手通过末端执行器上的自适应夹具, 根据压力表的规格自动调整夹持力度, 防止在抓取和搬运过程中对压力表造成损伤。

机械手将抓取的压力表搬运至信息读取工位后, 扫描枪开始工作。扫描枪采用高精度二维码或条形码扫描技术, 能够快速、准确地读取压力表上的唯一标识信息, 如型号、规格、出厂编号等。这些信息将被实时传输至系统控制中心, 与预先存储的校验标准和参数进行匹配, 为后续的校验提供数据支持。

信息读取后, 机械手将压力表搬运至校验工位与校验设备进行精准对接。校验设备根据压力表的类型和规格, 自动生成相应的校验程序, 进行压力加载、卸载等操作并实时采集压力数据。在整个校验过程中, 机械手保持稳定的夹持状态, 确保压力表在校验过程中不会发生位移或松动。

校验时, 由工业摄像机对表盘、指针、刻度等进行视觉检测。工业摄像机配备高分辨率镜头和先进的图像识别算法, 能够快速识别表盘上的刻度值、指针位置及是否存在外观缺陷等。通过与标准图像进行对比分析, 工业摄像机可以准确判断压力表的校验结果是否合格, 并将检测结果传输至系统控制中心。

根据检测结果, 机械手将合格的压力表搬运至下料架的合格区域存放, 将不合格的压力表搬运至下料架的不合格区域。下料架同样采用合理的布局设计, 方便工作人员对校验后的压力表进行分类管理和后续处理。

系统初始化是压力表智能校验装置启动的首要环节, 对整个校验流程和装置稳定运行至关重要。硬件初始化时, 控制器先自检各硬件模块, 再向外围硬件发出复位和初始化指令, 让压力源回归初始压力、传感器置零、数据采集卡设好默认采样参数, 为数据采集做准备。变量初始化同样重要, 各类控制变量、标志位、存储变量等都要赋初始值, 如校验流程控制变量设为初始步骤、数据存储数组清空、错误计数归零, 给程序运行提供清晰起点, 防止因变量值混乱导致程序异常。界面初始化时, 高分辨率显示屏展示主菜单, “ 自动校验” “ 手动校验” 等功能模块以大图标配文字呈现, 轻触即可选择^[7]; 自动校验前, 界面列出安装步骤、注意事项并附示意图; 若操作有误或设备异常, 系统弹出醒目故障预警, 提示问题及解决建议, 待故障排除, 确认后继续。用户体验反馈, 新手在15 min内可熟练上手, 操作便捷性远超传统装置, 减少误操作。

校验流程控制是压力表智能校验装置软件的核心功能, 自动校验流程以弹簧管压力表校验为例说明如下。

装置启动完成初始化后, 接到操作人员下达自动校验指令, 自动化装夹机构按程序驱动电机、带动丝杠旋转, 控制夹具开合, 把待检压力表稳固安装到校验工位, 保障连接紧密无泄漏。进入自动控压采集阶段, 控制器依照压力表量程和预设校验点给压力源发控制指令。比如对0~10 MPa量程表, 选特定校验点, 压力源用PID算法调控输出压力, 按稳定速率升压到各校验点, 数据采集卡同步采集传感器数据, 保证压力稳定在目标值且误差极小^[8]。在数据采集与处理环节, 压力稳定到校验点时, 图像采集设备触发拍照, 用智能图像识别算法提取指针位置信息, 同时采集卡采集传感器数值, 二者数据经算法融合处理, 算出压力表的示值误差、回程误差等指标, 为精度判定提供依据。

在判定与记录阶段, 按预存的精度等级标准, 比对实测误差和允许误差范围。误差在范围内则判定压力表合格, 记录详细校验数据到本地数据库; 若误差超标, 判定不合格, 则触发声光警报, 在显示屏提示故障信息, 也记录故障数据方便追溯排查, 确保使用的压力表精准可靠。以6 MPa校验点为例, 算出示值误差与允许误差并进行比对, 合格则记录数据至本地数据库, 界面提示“ 校验完成, 压力表合格” , 随即进入下一循环。

经测试, 自动化校验功能稳定, 效率比人工高5~8倍, 降低人为误差, 保障结果准确。

数据处理与存储环节影响校验数据质量和应用价值。在数据处理方面, 滤波算法采集数据时会受干扰夹杂噪声, 针对低频噪声用滑动平均滤波算法, 选合适窗口宽度求平均值来平滑噪声; 对高频电磁干扰的毛刺信号, 采用中值滤波算法取排序后中间值滤除尖峰噪声, 让数据平稳可靠。误差修正基于高精度压力传感器校验数据和温度补偿模型, 校验环节依标准压力源测偏差建立补偿表, 运行时查补偿表修正压力数据; 利用温度传感器监测温度, 结合特性曲线动态补偿温度引入的误差。在数据存储方面, 采用结构化数据库存储, 每条记录包含校验时间、压力表编号等多个详细字段, 保证数据完整可追溯。数据库选型兼顾读写速度、存储容量与可靠性, 大规模校验数据存储应选择MySQL集群版这种高并发读写、数据备份恢复功能强的系统, 满足企业数据管理需求, 为后续分析、设备管理提供支撑, 助企业优化计量流程、提升质量管控水平^[9]。

数据处理与存储功能借助强大的数据库管理系统与智能数据分析软件实现高效运作。装置采用SQL数据库存储校验数据, 每条记录涵盖校验时间、压力表编号、量程、精度等级、各校验点压力值、示值误差、判定结果等详细字段, 确保数据完整性与可追溯性。

依据JJG 52-2013《弹性元件式一般压力表、压力真空表和真空表》检定规程, 制定全面细致的压力表智能校验装置测试方案（表1）。选取3种类型压力表（DM-1、Y2-2、YQ-1）作为测试样本, 每种类型不少于5块, 确保测试结果有统计意义; 模拟实际工况, 设置温、湿度范围, 用电磁干扰发生器模拟10 V/m强度电磁环境, 测试装置环境适应性与抗干扰能力。

表1

表1

表1 压力表智能校验装置的测试方案 测试项目 测试要求 测试方法 测量精度 选不同量程、精度等级压力表, 全量程均匀取点, 考察各压力区间测量精度 待检表装入校验装置, 高精度标准源施压, 每个测试点压力稳定, 同时读两表示值算误差, 控制压力调节与读数时机 重复性 同一压力点多次测量, 分析测量值离散度, 衡量稳定性 选定压力点重复施压, 读数至少6次, 统计分析量化重复性 回程误差 对选定表双向施压, 比对同点升压、降压示值差异, 考量弹性元件影响 双向施压精细控制速率, 记录正、反行程示值算误差 耐压性能 对耐压型表施超额定压力并保持压力, 检查有无泄漏, 保障高压可靠性 施压前检查外观与连接, 施压中密切观察, 有异常即停并记录 自动校验功能 验证自动装夹、加压、数据采集处理等流程能否高效精准完成 从装表开始监控各环节, 记录关键信息, 评估可靠性与高效性

表1 压力表智能校验装置的测试方案

经严谨测试与数据分析（表2）, 装置各关键指标达到或优于设计要求, 环境适应性和抗干扰能力良好, 能精准、高效、稳定完成校验任务, 满足各行业压力计量需求, 后续可依据测试优化细节, 提升性能。

表2

表2

表2 测试数据分析 MPa 名称 型号 编号 测量范围 测量精度 回程误差 自动校验结果 压力表 DM-1 2024054578 0~1 ± 0.011 ± 0.010 符合 压力表 2024054570 0~1 ± 0.010 ± 0.010 符合 压力表 2024054576 0~1 ± 0.008 ± 0.005 符合 压力表 2024054556 0~1 ± 0.009 ± 0.006 符合 压力表 2024054513 0~1 ± 0.010 ± 0.008 符合 压力表 YZ-2 2021024715 0~10 ± 0.03 ± 0.025 符合 压力表 2021024721 0~10 ± 0.05 ± 0.028 符合 压力表 2021024735 0~10 ± 0.04 ± 0.032 符合 压力表 2021024729 0~10 ± 0.03 ± 0.028 符合 压力表 2021024743 0~10 ± 0.05 ± 0.043 符合 压力表 YQ-1 2019014960 0~25 ± 0.35 ± 0.31 符合 压力表 2019014935 0~25 ± 0.32 ± 0.29 符合 压力表 2019014916 0~25 ± 0.39 ± 0.35 符合 压力表 2019014928 0~25 ± 0.31 ± 0.27 符合 压力表 2019014911 0~25 ± 0.35 ± 0.32 符合

表2 测试数据分析 MPa