基于PPC4E數(shù)字式壓力控制器的壓力儀表自動(dòng)檢定/校準(zhǔn)技術(shù)研究

鄭金娟，郭勇冠

(中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安710089)

0 引言

壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)，壓力檢測設(shè)備被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)的各類控制及測試系統(tǒng)。尤其近幾年我國航空工業(yè)高速發(fā)展，型號試飛任務(wù)繁重，對壓力參數(shù)的計(jì)量工作提出了更高的要求。計(jì)量工作必須保證整個(gè)飛行試驗(yàn)過程中參數(shù)量值的統(tǒng)一性、測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及各類儀器設(shè)備的安全性、可靠性。因此，迫切需要在檢定/校準(zhǔn)工作中減少人為因素的影響，提高計(jì)量工作的準(zhǔn)確度和效率。

1 實(shí)驗(yàn)室用PPC4E簡介

PPC4E是美國FLUKE公司推出的一款數(shù)字式壓力控制器，旨在實(shí)現(xiàn)從校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室到制造業(yè)中的高性能通用氣體壓力校準(zhǔn)。作為壓力標(biāo)準(zhǔn)器，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力的全自動(dòng)控制，其融合了最佳特性、測量技術(shù)和來自DHI部門的專利PPC壓力控制技術(shù)，可提供極為廣泛的壓力量程覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)絕壓、表壓和雙向表壓模式的任意切換，其提供的±0.02%不確定度水平適用于最常見的計(jì)量檢定/校準(zhǔn)工作。同時(shí)，PPC4E配置的RS－232及IEEE－488.2遠(yuǎn)程接口能夠方便的實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通訊。

結(jié)合日常計(jì)量工作以及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，本文主要介紹了實(shí)驗(yàn)室用0～7 MPa PPC4E數(shù)字式壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置在計(jì)量中的應(yīng)用及其基于LabVIEW平臺的自動(dòng)化計(jì)量技術(shù)。PPC4E數(shù)字式壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由氮?dú)馄俊⒄婵毡?、PPC4E控制器、油氣分離裝置和被檢壓力儀表接口構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。油氣分離裝置能夠隔離被檢設(shè)備帶來的油污染，防止PPC4E裝置及其連接管路受到污染，三個(gè)被檢壓力儀表接口分別配有不同尺寸的轉(zhuǎn)接口，確保該裝置可以連接不同類型的壓力儀表。

在手動(dòng)計(jì)量檢定壓力儀表時(shí)，通過PPC4E控制器的面板選定量程、單位和壓力目標(biāo)值，等待壓力達(dá)到目標(biāo)值后手動(dòng)記錄被檢儀表和標(biāo)準(zhǔn)器值，如此單點(diǎn)設(shè)定，單點(diǎn)檢定。對于較多檢定點(diǎn)時(shí)，每一次都需要重新設(shè)定、等待并記錄，因此采用這種手動(dòng)方式比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，型號試飛任務(wù)繁重時(shí)很難提供及時(shí)有效的保障。而如果能夠利用LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)分點(diǎn)檢定/校準(zhǔn)，自動(dòng)采集，對于不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的儀表可以手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)，并且自動(dòng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成相應(yīng)的記錄和報(bào)告，將會極大的提高科研試飛儀表檢定/校準(zhǔn)的保障能力和效率。

圖1 PPC4E標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖

2 基于PPC4E實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢定/校準(zhǔn)

2.1 系統(tǒng)組成

依據(jù)PPC4E壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置自身特性對其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢定/校準(zhǔn)。其系統(tǒng)主要由PPC4E標(biāo)準(zhǔn)裝置、數(shù)據(jù)采集單元、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、以及被檢壓力儀表組成，采用串口通訊保證準(zhǔn)確快速的數(shù)據(jù)交換。改造方案框圖如圖2所示。

圖2 改造方案框圖

2.2 工作原理

安裝前必須對被檢儀表進(jìn)行檢查，包括外觀、銘牌以確定產(chǎn)品的名稱、規(guī)格型號、準(zhǔn)確度等級、測量范圍以及額定工作壓力和輸出信號等技術(shù)指標(biāo)。同時(shí)，用改變輸入壓力的方法對輸出信號上下限值進(jìn)行調(diào)整，保證與理論輸出上下限值保持一致，以壓力傳感器或變送器為例，一般是通過調(diào)節(jié)“零點(diǎn)”和“滿量程”來實(shí)現(xiàn)。最后還要對實(shí)驗(yàn)室的溫濕度進(jìn)行檢查以確定是否滿足實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求。

被檢儀表如果是傳感器或者變送器，安裝完成后必須進(jìn)行至少15 min的通電預(yù)熱，這時(shí)可以將被檢儀表的基本信息輸入LabVIEW測試軟件中，然后在程序控制下，壓力控制器從下限開始等間隔加壓，待壓力達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)持續(xù)穩(wěn)定5 s，壓力控制器發(fā)出壓力到限信號并傳送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)測試軟件自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、記錄后給壓力控制器發(fā)出指令，開始下一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的測試。當(dāng)壓力值達(dá)到設(shè)定的上限之后，壓力控制器在計(jì)算機(jī)的控制下，LabVIEW軟件程序開始反行程逐點(diǎn)測量，直到回到下限值完成一個(gè)循環(huán)。如此進(jìn)行三個(gè)循環(huán)，測試完成。計(jì)算機(jī)通過LabVIEW軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后得出檢定/校準(zhǔn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢定/校準(zhǔn)。

2.3 程序設(shè)計(jì)

該自動(dòng)檢定/校準(zhǔn)程序是以NI公司的LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，根據(jù)PPC4E壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置基本原理及其使用說明書，依照規(guī)程JJG 49－2013，JJG 52－2013，JJG 927－1997，JJG 860－1994 及JJG 882－2004 編制自動(dòng)檢定/校準(zhǔn)程序。

該程序主要由初始化模塊、壓力控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成，其程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

1)初始化模塊

該模塊主要用于在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)進(jìn)行串口配置，并對該軟件進(jìn)行自檢。同時(shí)提示用戶輸入待校準(zhǔn)設(shè)備的名稱、型號規(guī)格、生產(chǎn)廠家、出廠編號、量程、準(zhǔn)確度、校準(zhǔn)日期和環(huán)境溫濕度以及客戶名稱。并且根據(jù)準(zhǔn)確度要求設(shè)定校準(zhǔn)點(diǎn)個(gè)數(shù)，根據(jù)量程設(shè)定測量范圍的上下限并選擇校準(zhǔn)單位。初始化界面如圖4所示。

圖4 初始化界面

2)壓力控制模塊

主要是根據(jù)FLUKE公司提供的遠(yuǎn)程控制代碼通過RS232訪問PPC4E，根據(jù)測試軟件設(shè)定的點(diǎn)數(shù)和壓力值，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)裝置的正行程自動(dòng)加壓和反行程自動(dòng)卸壓，為自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的壓力值。

3)數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊主要是通過數(shù)據(jù)采集卡采集校準(zhǔn)過程中儀表所產(chǎn)生的電流信號、電壓信號以及RS232信號。數(shù)據(jù)采集界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集界面

4)數(shù)據(jù)處理模塊

在該模塊中嵌入了數(shù)據(jù)處理方法，計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的被校準(zhǔn)設(shè)備的基本信息自動(dòng)計(jì)算出各校準(zhǔn)點(diǎn)的理論輸出值，并與采集到的各檢定點(diǎn)的實(shí)際輸出值進(jìn)行比較，依據(jù)檢定規(guī)程完成示值誤差、回程誤差、誤差允許值等的自動(dòng)計(jì)算，同時(shí)顯示檢定結(jié)果并自動(dòng)生成原始記錄、證書或檢定結(jié)果通知書。

5)校準(zhǔn)費(fèi)計(jì)算和參數(shù)登記模塊

該模塊作用主要是為了及時(shí)統(tǒng)計(jì)校準(zhǔn)費(fèi)用，同時(shí)建立檢定/校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，便于以后查找某壓力儀表的型號參數(shù)和校準(zhǔn)日期。

3 檢定/校準(zhǔn)實(shí)例

本文以西安某公司生產(chǎn)的壓力傳感器為例說明。此壓力傳感器型號為GY-12H，測量范圍為0～800 kPa，準(zhǔn)確度等級為0.2級，編號為2011006，依據(jù)JJG 860－1994壓力傳感器 (靜態(tài))檢定規(guī)程，系統(tǒng)自動(dòng)選擇6個(gè)檢定點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢定結(jié)果如表1所示。

表1 壓力傳感器校準(zhǔn)結(jié)果

根據(jù)采集卡采集到的傳感器輸出數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出檢定/校準(zhǔn)曲線，便于工作人員快速準(zhǔn)確地了解傳感器的特性。數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)與計(jì)算出的理論輸出值進(jìn)行比對后，依據(jù)檢定規(guī)程得出結(jié)論:本傳感器準(zhǔn)確度為0.2級。

4 結(jié)束語

基于PPC4E數(shù)字式壓力控制器實(shí)現(xiàn)壓力儀表自動(dòng)檢定/校準(zhǔn)的方案，突破了傳統(tǒng)手動(dòng)檢定/校準(zhǔn)時(shí)需要手工記錄測試數(shù)據(jù)、人工計(jì)算、操作繁瑣且效率低下的工作模式，同時(shí)杜絕了人為因素對壓力計(jì)量檢定/校準(zhǔn)工作可能帶來的錯(cuò)判、漏判等影響。本方案自動(dòng)化程度較高，符合現(xiàn)代化管理的需求，同時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)適應(yīng)了儀器儀表行業(yè)的快速發(fā)展。隨著現(xiàn)代儀器儀表行業(yè)的發(fā)展，更多的測量儀器向數(shù)字化方向發(fā)展，很多儀表具備通訊功能，為自動(dòng)化檢定/校準(zhǔn)創(chuàng)造了條件;

2)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集處理，減少了人為因素影響，提高了工作效率。利用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，減少了人工記錄帶來錯(cuò)誤的隱患，從而很大程度提高了檢定數(shù)據(jù)的可靠性。該方案滿足無紙辦公的需求，有效縮短了檢定/校準(zhǔn)時(shí)間，工作效率明顯提升;

3)操作方便，容易維護(hù)，擴(kuò)展性強(qiáng)。本方案繼承了LabVIEW平臺的優(yōu)點(diǎn)，即操作方便易維護(hù)。同時(shí)，該方案采用了模塊化的程序設(shè)計(jì)，為未來系統(tǒng)升級和擴(kuò)展留下了充裕的空間。

總之，對實(shí)驗(yàn)室PPC4E數(shù)字式壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行自動(dòng)化改造以后，極大提高了計(jì)量工作的質(zhì)量和效率，保障了科研試飛各項(xiàng)試驗(yàn)的順利完成，同時(shí)確保了飛行試驗(yàn)過程中參數(shù)量值的統(tǒng)一性、測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及各類儀器設(shè)備的安全性、可靠性。

［1］國家技術(shù)監(jiān)督局.JJG 860-1994壓力傳感器 (靜態(tài))檢定規(guī)程［S］.北京:中國計(jì)量出版社，1994.

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