Сборник статей по калибровке давления

В этой статье описывается использование обычного грузопоршневого манометра для калибровки гидравлических манометров с акцентом на некоторых недостатках этого подхода. Также, рассмотрен электронный грузопоршневой манометр E-DWT-H как более эффективная современная альтернатива и даны его особенности и преимущества.

Применение
Одной из типовых задач по калибровке давления является калибровка приборов высокого давления, обычно аналоговых манометров (см. Рисунок 1). Определение «высокого давления» варьируется в зависимости от организации, но обычно оно относится к приборам с полным диапазоном шкалы более 7 МПа. Из-за опасности использования газа (очень сжимаемого, сохраняющего много энергии) и затрат / сложности его генерации, калибровки высокого давления обычно выполняются с использованием жидкости в качестве рабочей среды. Этот тип калибровки называется гидравлическим. Двумя наиболее распространенными гидравлическими средами являются масло и смесь воды и спирта. Чтобы откалибровать аналоговый манометр, калибровочной лаборатории требуется оборудование для генерации, контроля и измерения гидравлического давления. Грузопоршневой манометр удобно объединяет все три функции в одном приборе. (см. рисунок 2).

Насос с ручным приводом на грузопоршневом манометре создает давление путем сжатия жидкости в резервуаре. Небольшой регулируемый винтовой пресс позволяет оператору производить точную подстройку давления. Манометр включает узел поршень-цилиндр, сконфигурированный таким образом, чтобы поршень мог перемещаться вверх и вниз внутри колонны и соединен с механизмом, который несет набор грузов, загружаемых вручную, которые прикладывают нисходящую силу к поршню. Оператор прикладывает достаточное давление в системе, чтобы поршень «плавал» внутри колонны. Приложенное давление пропорционально количеству загруженной массы. Калибруемый манометр подключается к порту для тестируемого устройства на грузопоршневом манометре, параллельно поршню и подвергается воздействию того же давления. Когда система «готова», то есть, тестируемый манометр подключён, давление создано и поршень свободно плавает, оператор выполняет измерение, сравнивая давление, определенное грузопоршневым манометром, с давлением, измеренным тестируемым манометром.

Как грузопоршневой манометр «измеряет» давление
Грузопоршневой манометр на самом деле не измеряет давление. Скорее, он позволяет оператору узнать или рассчитать давление, когда система находится в определенном состоянии. Это состояние достигается при наличии достаточного усилия со стороны гидравлического давления, чтобы поддерживать поршень в плавающем состоянии. Результирующее давление пропорционально тому, какое усилие прикладывается загруженной массой. Грузы давят на поршень с силой, равной массе, умноженной на ускорение свободного падения. Когда поршень находится в плавающем состоянии, давление (P) определяется путем вычисления силы (F), приложенной к общей массе поршня и дополнительной приложенной массе, деленной на площадь (A) поршня: P = F / A.
Измерение давления происходит с помощью загрузки на поршень калиброванных грузов и достижения равновесия в системе, то есть «всплытия» поршня.

Калибровка аналогового датчика с использованием грузопоршневого тестера
Как упоминалось ранее, при калибровке аналогового манометра (или любого другого типа прибора для измерения давления) с использованием грузопоршневого манометра оператор подключает манометр параллельно поршню, а затем прикладывает одинаковое давление к обоим одновременно. Оператор устанавливает каждое испытательное давление в предварительно определенной последовательности, по одному за раз. В каждой точке оператор записывает показания аналогового манометра и рассчитанное давление от грузопоршневого манометра. После записи данных испытаний в каждой из контрольных точек оператор определяет, какие показания, если они есть, выходят за пределы указанного допуска.
Если датчик требует регулировки, оператор следует шаблонным процедурам, чтобы вернуть показания датчика в допуск. Затем оператор запускает вторую тестовую последовательность, чтобы убедиться, что настройки были выполнены правильно, и что датчик выходит из калибровочной лаборатории в пределах паспортного допуска. Этот повторяющийся процесс увеличивает время и стоимость, необходимые для калибровки, когда используется медленный или громоздкий метод.

Уникальное требование для калибровки аналогового датчика
Как описано выше, в каждой точке последовательности испытаний оператор сравнивает давление на калибруемом манометре с давлением, определенным грузопоршневым манометром. Обычно тестовая последовательность представляет собой некоторое количество контрольных точек с равными интервалами на всем протяжении шкалы. Типичная тестовая последовательность может начинаться с 20% шкалы до 100% шкалы с контрольными точками каждые 20 процентов. Таким образом, для манометра с верхним пределом 70 МПа первая контрольная точка составляет 14 МПа. Оператор загружает грузы, общая масса которых, когда поршень будет плавать, приведет к давлению в 14 МПа.
Однако индикаторная стрелка аналогового манометра обычно не будет находиться в номинальной точке, когда давление в грузопоршневом манометре равно номинальному. Чтобы записать значение для аналогового датчика, оператор должен интерполировать или визуально оценить значение между двумя строками. Поскольку каждый оператор может интерполировать немного по-разному, предпочтительно откалибровать аналоговый манометр, регулируя испытательное давление в каждой точке до тех пор, пока стрелка индикатора не окажется прямо над номинальным значением давления. Чтобы сделать это с помощью грузопоршневого манометра, оператор должен последовательно загружать очень малые массы (те, которые соответствуют очень низким изменениям давления) и уравновешивать систему на каждой итерации, пока стрелка не достигнет номинального значения. Оператору придётся повторять этот процесс в каждой контрольной точке во всем диапазоне.

Технический комментарий:
Прогнозирование давления
Основой для выполнения калибровки статического давления является наша способность прогнозировать давление на тестируемом устройстве. Есть много вещей, которые могут помешать нам сделать этот прогноз на основе эталонного измерения. Мы должны быть уверены, что:
• утечки устранены или, по крайней мере, сведены к минимуму.
• все гидравлические головки были поверены и откалиброваны.
• нет никаких механических препятствий, то есть, загрязнения в системе между эталоном и тестируемым устройством.
• было дано достаточно времени для достижения равновесия системы.
• среда для испытаний не загрязнена другой жидкостью.
• тестируемое устройство было правильно обнулено, если это применимо к нему.

Недостатки использования грузопоршневого манометра
Хотя грузопоршневой манометр считается основным стандартом и по этой причине считается желательным решением для гидравлических калибровок, его использование имеет несколько недостатков.
• Загрузка небольших добавочных масс до тех пор, пока манометр не покажет номинальное испытательное значение, отнимает много времени и не очень эффективен.
• Минимальный прирост давления ограничен минимальным значением массы в наборе грузов. Если измерительный прибор имеет высокое разрешение, возможно, не удастся расположить стрелку непосредственно на номинальной контрольной точке.
• Альтернативой настройке номинального давления на тестируемом датчике путем загрузки минимальных грузов является интерполяция показаний датчика, что создает возможность для ошибок.
• Ручная загрузка грузов вности дополнительную неопределённость, связанную с человеческим фактором. Иногда кажется, что измерительный прибор выходит за допустимые пределы в определенной точке, когда на самом деле, оператор загрузил неправильный груз.
• Грузопоршневой манометр не оптимален для калибровки на месте. Тестер и сопровождающие его грузы тяжелы и их трудно нести на место калибровки датчика.
• По той же причине доставлять грузопоршневой манометр и массы в калибровочную лабораторию для ежегодной периодической поверки неудобно и дорого.
• Соответствие площади поршня массе позволяет каждой массе быть удобно эквивалентной целому числу номинальных значений давления для данной единицы давления. Правильно откалибровав набор грузов, производитель может предоставить заказчику набор, который может быть загружен простым способом, когда датчик соответствует этой единице давления. Однако измерительные приборы могут использовать различные единицы давления, которые различаются в зависимости от отрасли, области применения, производителя испытательной системы и т. д. Чтобы использовать один и тот же грузопоршневой манометр для калибровки манометров с различными единицами давления, оператору требуется либо несколько наборов грузов, либо таблицу преобразования, который позволяет ему узнать давление путем умножения исходного давления на коэффициент преобразования.
• Поскольку сила в системе рассчитывается как общая масса, умноженная на ускорение свободного падения, оператор должен знать значение силы тяжести в месте использования. Если грузопоршневой манометр используется в разных географических точках, пользователь должен изучать силу тяжести в различных местах, чтобы проводить достоверные измерения. Если набор массы настроен на номинальные значения давления в одном месте, он больше не будет генерировать номинальные значения на месте с другим значением силы тяжести.
• Поскольку грузопоршневой тестер по своей сути является механическим устройством, удобного способа его автоматизации нет. После определения контрольной точки оператор должен записать данные в таблицу данных или вручную ввести ее в компьютерную электронную таблицу или приложение.

Лучшее решение: электронный грузопоршневой манометр (E-DWT)
Несмотря на свои недостатки, традиционный грузопоршневой манометр уже много лет является надежным инструментом гидравлической калибровки высокого давления. Его низкая неопределенность (точность) и законченность решения обеспечивают все три необходимые функции калибровки (генерация, контроль и измерение) в одном приборе. До сих пор эти достоинства были достаточно существенны для того, чтобы закрывать глаза на очевидные недостатки, и грузопоршнево манометр оставался предпочтительным решением для калибровки гидравлического измерительного оборудования. Совсем недавно производители выпустили гидравлические мониторы высокого давления на основе датчиков, которые обеспечивают производительность измерений, достаточную для использования в качестве эталонного калибровочного стандарта. Калибровочная лаборатория теоретически могла бы приобрести один из этих мониторов и либо приобрести вспомогательное устройство для генерации / управления, либо подключить его к узлу генерации / управления грузопоршневого манометра. Хотя такое решение возможно, оно требует двух отдельных компонентов и не является достаточно привлекательным для замены обычного грузопоршневого манометра.
Совсем недавно калибровка давления вышла на новый виток с введением E-DWT, или электронного грузопоршневого манометра (см. Рисунок 3).

E-DWT-H (H обозначает гидравлическую платформу) - это единое решение для калибровки гидравлических манометров высокого давления. Решение называется E-DWT, потому что это электронная замена для грузопоршневого манометра. E-DWT-H гидравлический эталонный источник давления на базе преобразователя . Кварцевый датчик давления встроен в модуль эталонного преобразователя давления Fluke (Q-RPT), который, в свою очередь, установлен в монитор RPM4 давления. RPM4 установлен в корпусе E-DWT-H.
Корпус E-DWT-H также включает в себя резервуар для испытательной жидкости, заправочный насос для нагнетания гидравлической жидкости через испытательную систему, винтовой пресс с переменным объемом для создания и установки начального приблизительного испытательного давления и клапан точной регулировки, который позволяет оператору установить точное номинальное значение давление, измеряемое на тестируемом манометре.

Особенности E-DWT-H
E-DWT-H включает в себя множество функций, отсутствующих и не обладает недостатками, присущими традиционному грузопоршневому манометру, что делает его идеальным для калибровки гидравлических контрольно-измерительных приборов.
• Диапазон давления до 200 МПа. Максимальное давление традиционных грузопоршневых манометров обычно составляет 70 МПа или 100 МПа. Поэтому E-DWT-H может добавить возможность, которой ранее не было в калибровочной лаборатории.
• Винтовой пресс с переменным объемом может создать максимальное испытательное давление за один полный ход поршня благодаря встроенному заправочному насосу. Оператор избегает громоздкого процесса создания дополнительного давления, изолируя переменный объем от испытательной системы и вытягивая дополнительную жидкость из резервуара. Этот процесс обычен для других вспомогательных устройств для создания давления с переменным объемом, когда одного хода недостаточно для создания максимального давления. Кроме того, винтовой пресс с регулируемым объемом E-DWT-H представляет собой высококачественное устройство с низким крутящим моментом, которое упрощает точную регулировку при любом давлении, и предлагается опция для систем тестирования с большим объемом.
• Выбираемые пользователем единицы измерения давления позволяют быстро и легко менять единицы давления.
• Клапан точной регулировки давления позволяет оператору легко установить испытательное давление точно на номинальное значение манометра. Как только номинальное испытательное давление стабилизируется, оператор просто считывает цифровое эталонное давление с дисплея давления E-DWT-H. Это устраняет трудоемкий итеративный процесс добавления большей массы для определения различных испытательных давлений, пока не будет установлено номинальное манометрическое давление.
• Эталоная погрешность модуля Q-RPT составляет ± 0,02% от показаний от 100% до 10% от диапазона эталонного преобразователя. При коэффициенте охвата k = 2 эта спецификация действительна в течение всего года. В E-DWT-H можно установить второй модуль Q-RPT для увеличения диапазона рабочего давления при сохранении низкой погрешности измерения. Со вторым модулем Q-RPT, диапазон которого составляет 10% от Q-RPT верхнего диапазона, E-DWT-H обеспечивает погрешность ± 0,02% от 100% до 1% максимального диапазона. Диапазоны Q-RPT выбираются пользователем. Например, если пользователь выбрал Q-RPT 200 М (200 МПа) и 20 М (20 МПа), эта конфигурация обеспечит погрешность в течение года ± 0,02% от 200 МПа до 2 МПа в одном приборе.
• E-DWT-H всегда отображает фактическое эталонное давление. Оператору больше не нужно беспокоиться о загрузке правильных масс и проведении вычислений и сравнений.
• Показания датчиков Q-RPT E-DWT-H не зависят от локальной силы тяжести; следовательно, оператору не нужно знать местную силу тяжести. E-DWT-H работает в калибровочной лаборатории пользователя так же, как и когда используется как инструмент для выездной калибровки.
• E-DWT-H имеет малый вес (15 кг), а его металлический корпус изготовлен с углублениями, которые выполняют функцию удобных ручек для подъема и переноски. Это делает его идеальным в качестве оборудования для выездной калибровки. Доступен дополнительный прочный литой транспортный футляр с колесами.
• E-DWT-H питается от стандартных напряжений. Аккумуляторная батарея позволяет использовать ее в полевых условиях, когда источник питания недоступен.

Уникальные преимущества, доступные благодаря электронной природе E-DWT-H
В дополнение к функциям, описанным выше, которые подчеркивают, как E-DWT-H преодолевает ограничения традиционного грузопоршневого манометра, его электронная природа предлагает расширенные функции, которые оператор может использовать для дальнейшего повышения эффективности и результатов теста.
• E-DWT-H предлагает объективный индикатор готовности, который сообщает оператору, когда записывать эталонное давление. Индикация основана на стабильности измеренного давления и может быть установлена на значение, определенное руководителем лаборатории. С этой функцией все пользователи, скорее всего, получат повторяемые результаты.
• Встроенное программное обеспечение E-DWT-H включает функцию AutoTest, которая позволяет оператору определять последовательность испытаний и позволяет E-DWT-H направлять его по точкам во время теста. В каждой контрольной точке E-DWT-H записывает эталонное давление и сравнивает его с номинальным манометрическим давлением. Затем он сравнивает разницу с допуском для тестируемого датчика и определяет, находится ли измерение в пределах допуска или нет. Эта функция также помогает обеспечить согласованность результатов тестирования среди пользователей. Результаты могут быть загружены и просмотрены с ПК с использованием удаленного интерфейса через коммуникационный порт E-DWT-H RS-232.
• Более сложной альтернативой для записи и оценки данных является проведение теста с помощью программного обеспечения для калибровки на базе ПК. Используя коммуникационный порт RS-232 E-DWT-H, пользователь может запустить последовательность испытаний из программного обеспечения ПК и записать данные испытаний и другие соответствующие параметры в электронном виде. С этими данными, сохраненными в файле теста, программное обеспечение калибровки может затем генерировать настроенные отчеты о калибровке. Fluke предлагает программное обеспечение COMPASS® для калибровки давления.

Резюме
Традиционный грузопоршневой манометр является основным инструментом, используемым для калибровки гидравлических аналоговых манометров высокого давления. Эта тенденция сохранялась, несмотря на некоторые существенные недостатки, поскольку она обеспечивает низкую погрешность и грузопоршневой манометр является единым устройством для создания, контроля и измерения давления. Теперь доступно новое решение под названием E-DWT-H (электронный грузопоршневой манометр), которое не только обладает достоинствами традиционного грузопоршневого манометра, но не имеет его недостатков, а также имеет функции, которые добавляют значительную полезность.