基于離線采集模式的高低溫低氣壓試驗箱校準技術的研究

江思杰，程照明，李建剛

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所，湖北 430079）

引言

隨著科學技術與經濟貿易的快速發(fā)展，國防科技、航空航天、電子信息化、電力工程等領域的新興產品如雨后春筍般涌現出來。在實現產品研發(fā)的同時，確保其在貯存、運輸和使用過程中的性能、可靠性與安全性是非常必要的。因此，需要通過系統(tǒng)化的環(huán)境試驗來模擬產品貯存、運輸和使用過程中的實際環(huán)境，利用檢測結果判斷其性能優(yōu)劣，從而提高產品質量。

本文主要研究基于離線采集模式的高低溫低氣壓試驗箱校準技術，將采集電路密封于特殊材質的罐體中，引出高精度溫度、壓力傳感器實現箱體內部數據的采集，并完成高低溫低氣壓試驗箱校準系統(tǒng)正樣，服務于環(huán)境試驗與可靠性試驗中心的科研任務。此試驗箱是設計驗證和建設急需的高端設備。

1 技術難點

眾所周知，校準是體現一臺設備技術指標是否滿足要求、測量參數是否可信的重要依據，傳統(tǒng)高低溫低氣壓試驗箱校準方案由于諸多問題，使得試驗數據的真實性、有效性受到質疑。

從多年從事環(huán)境試驗工作經驗中發(fā)現，許多客戶為了確保高低溫低氣壓試驗數據真實有效，通常會要求檢定人員在測試前對高低溫低氣壓試驗箱進行校準。然而在觀看傳統(tǒng)校準過程后均對其校準方式頗有微詞，甚至對校準結果提出質疑。傳統(tǒng)校準方案如圖1所示，其核心思路是利用高低溫低氣壓試驗箱的外置管口連接壓力表、溫度表，通過記錄不同條件下箱內溫度與壓力值來計算不確定度，從而判斷其是否滿足要求。

傳統(tǒng)氣壓檢定的校準依據為JJG 875-2005，通過壓力表直接讀取不同氣壓條件下的壓力值并計算測量不確定度的方式實現，現檢定裝置逐漸被數字壓力校驗儀所取代；傳統(tǒng)溫度檢定的校準依據為JJF 1101-2003以及GB 5170.2-2008，測量儀器主要采用鉑電阻、熱電偶或其他類似的溫感元件以及二次儀表組成的測溫系統(tǒng)，通過在箱內指定位置布點的方式采集不同溫度條件下箱內的溫度數據，從而計算出每個溫度點的擴展不確定度。

傳統(tǒng)高低溫低氣壓試驗箱校準所存在的問題主要包括以下幾個方面：

1）由于高低溫低氣壓試驗箱內完全密封，無法建立箱內與箱外的有線、無線通信，導致直接放置小型溫度、壓力傳感器到箱內利用數據線或無線的方式讀取試驗數據的方案無法實現，此外，能夠同時滿足高低溫低氣壓試驗箱技術指標（溫度：-40～200℃，壓力：0～500Pa）的溫度或壓力傳感器非常少見，使得校準方案實施起來比較困難；

2）試驗箱外雖配備外部接口只有一個，無法同時利用溫度表、壓力表進行校準，導致測試數據無法一一對應，影響計算精度，且極大的增加了設備校準所需的時間；

圖1 傳統(tǒng)高低溫低氣壓試驗箱校準方案

3）利用壓力智能數字表雖可以實現實驗數據的完整記錄，但由于箱內與箱外的測試環(huán)境截然不同，且利用箱外接口測得的數據本身的有效性就值得懷疑；

4）校準時的測試數據需人工記錄，不僅增大了檢定人員工作量，而且提高了由于人為因素造成的誤差。

針對上述問題，本文通過大量的試驗研究提出了一種基于離線采集模式的高低溫低氣壓試驗箱校準方案，實現高低溫低氣壓試驗箱自動精確校準。

2 系統(tǒng)整體結構設計

高低溫低氣壓試驗箱校準系統(tǒng)的總體結構框圖如圖2所示，采用密封罐體結構，利用電池為傳感器及芯片供電，采用離線數據采集形式，系統(tǒng)硬件部分主要包括溫度、壓力綜合數據采集電路、溫度傳感器、壓力傳感器、存儲卡與電池。

高低溫低氣壓試驗箱在進行產品檢測時，腔內溫度與壓力變化較大，普通電子器件無法承受，因此，想要實現腔內真實數據實時采集，就必須通過密封罐體將采集電路、存儲卡等器件保護起來。本系統(tǒng)中，罐體采用無釋氣TPFE橡膠材料作為密封墊，有效保護敏感電路，通過引出的溫度、壓力傳感器來采集腔內的實時數據。

在環(huán)境試驗中，試驗箱內的壓力最低可達到0.5KPa，對于壓力傳感器的選擇至關重要。本系統(tǒng)采用性能優(yōu)秀的陶瓷電容壓力傳感器，其壓力測量范圍為-100KPa～0～0.5KPa…100MPa，很好地滿足了試驗箱的性能指標。由于高低溫低氣壓試驗箱運行過程中，腔內處于全密封狀態(tài)，壓力傳感器無法通過排氣管與外部大氣形成對比，因此，壓力類型采用絕壓式。陶瓷電容壓力傳感器擁有較高的測量精度，最高可達±0.1%。

圖2 基于離線采集模式的高低溫低氣壓試驗箱校準系統(tǒng)結構圖

溫度傳感器的發(fā)展應用已非常廣泛，本系統(tǒng)采用穩(wěn)定性較高的PT100鉑電阻。眾所周知，鉑電阻相對于其他溫度傳感器，其測量精度要高很多，在計量檢測領域，一般都是以鉑電阻作為標準溫度測量元件。標準鉑電阻可以用一種嚴密、合理的方程來描述其電阻值與溫度的關系。鉑電阻的線性較好，只是在接近其范圍極限時呈非線性。鉑電阻每攝氏度可以改變幾分之一歐姆，測量范圍可達到-60～180℃，最小分辨率高達0.01，漂移量小于0.04℃/yr，極大地滿足了系統(tǒng)測試要求。

高低溫低氣壓試驗箱校準完畢后，打開箱門，將校準系統(tǒng)中的存儲卡取出，利用計算機軟件讀取采集數據，并形成表格與時間曲線圖。

隨著國防工業(yè)的快速發(fā)展，產品的環(huán)境與可靠性試驗任務劇增，CEEC-WQ-1000高低溫低氣壓試驗箱在本中心的科研生產與檢測任務中起到了至關重要的作用，對于高低溫低氣壓試驗箱的校準技術研究能夠為本中心的能力建設提供有利條件：

1）解決了長久以來一直困擾的高低溫低氣壓試驗箱校準問題，降低了校準所需時間，提高了設備試驗數據的可靠性；

2）可與被檢設備一同置于箱內，為客戶提供被測設備指定區(qū)域的實時試驗數據與動態(tài)仿真模型，便于找出與解決試驗中所碰到的問題；

3）研究了氣壓與溫度之間的相互影響，推動了高低溫氣壓試驗箱校準規(guī)范的發(fā)展；

4）為本中心技術積累創(chuàng)造有力條件，開拓技術研究方向。

3 系統(tǒng)算法處理

本系統(tǒng)采用虛擬儀器技術，將LabVIEW2011作為開發(fā)平臺，利用VISA2011驅動函數實現LR5092-20數據采集器的動態(tài)讀取，并結合MySQL數據庫實現高低溫低氣壓試驗箱檢定信息存儲與報告格式預處理，最后調用MATLAB進行參數計算與不確定的算法處理。

3.1 溫度參數計算

PT100是市面上較為常見的鉑電阻類溫度傳感器，通常情況下，技術人員根據采集到的電阻值，通過查詢JB/T 8622-1997《工業(yè)鉑熱電阻技術條件及分度表》，即可得到相應的溫度值。然而，隨著信息化時代的到來，利用MATLAB來實現溫度值的快速計算更加滿足自動化設備的需求。

高低溫低氣壓試驗箱的溫度范圍為-40～200℃，根據檢定規(guī)程，將檢定溫度范圍分為-40～0℃與0～200℃。

當溫度范圍在-40～0℃時，鉑電阻——溫度關系式為：

當溫度范圍在0～200℃時，鉑電阻——溫度關系式為：

其中：

當高低溫低氣壓試驗箱在進行升降溫試驗時，系統(tǒng)能夠實時采集腔內溫度所對應的電阻值，之后通過計算機調用MATLAB繪制出腔內的溫度變化曲線，便于技術人員更好地改善測試方案。

3.2 壓力參數計算

陶瓷電容式壓力傳感器擁有極高的穩(wěn)定性與強大的抗干擾能力，作為線性壓力傳感器，其壓力變化系數是一個固定參量：

其中Vmax、V0分別為已知壓力Pmax、P0下所測出的電壓值，這些參數均由器件廠家提供。

之后，將公式（3）代入到壓力換算公式（4）中即可得到當前狀態(tài)下腔內的壓力值。

3.3 測量不確定度計算

高低溫低氣壓試驗箱校準系統(tǒng)的不確定度計算完全按照國家計量技術規(guī)范JJF 1059.1-2012來執(zhí)行，該標準在JJF 1059-1999的基礎上進行了修訂，增加了常規(guī)計量中可預先評估重復性的條款，且在合成標準不確定度評定中增加了各輸入量間相關時協(xié)方差與相關系數的估計方法，弱化了給出自由度的要求。

此外，本系統(tǒng)還根據JJF 1059.2-2012引入了蒙特卡洛算法，此算法的核心內容是在建立測量模型的基礎上采用MCM進行概率分布傳播，由于數表檢定中不涉及非正態(tài)分布函數，因此本系統(tǒng)的不確定度算法主要依據JJF 1059.1-2012來執(zhí)行。

在單個檢定項目完成之后，系統(tǒng)會進行重復性測試，當所有項目檢定完畢時，系統(tǒng)會調用MatLab算法模塊對之前的檢定結果進行不確定度計算，如表1所示。

3.3.1 A類不確定度計算

高低溫低氣壓試驗箱校準系統(tǒng)在測試溫度、壓力參數時，存在重復性誤差，根據檢定標準，對測得的溫度、壓力參數進行獨立重復觀測，通過所得到的一系列觀測值，用統(tǒng)計分析方法獲得試驗標準偏差s(x)，以算術平均值作為被測量估計值[7]，其公式為：

本系統(tǒng)利用貝塞爾公式法進行A類不確定度測試：

其中xi為測量值，x為標準值，n為獨立測量次數。

通過調用Matlab公式節(jié)點可精確快速地計算出每個檢定項目所產生的A類不確定度。

表1 不確定度來源

3.3.2 B類不確定度計算

B類評定的方法是根據有關的信息或經驗，判斷被測量的可能值區(qū)間假設被測量值的概率分布，根據概率分布和要求的概率p確定k，則B類標準不確定度uB可由公式（3）得到：

其中a為被測量可能值區(qū)間的半寬度，k為包含因子。

在進行高低溫低氣壓試驗箱分辨力所引起的不確定分量計算時，通過試驗箱技術說明書可知，半寬度其不確定度分量的計算公式為：

3.3.3 不確定度合成

以上三個不確定度分量互不相關，其合成標準不確定度計算公式為：

4 系統(tǒng)實施方案

系統(tǒng)運行流程圖如圖3所示。檢定人員首先啟動檢定系統(tǒng)，在開始進行高低溫低氣壓試驗箱檢定之前，檢定人員需確認實時采集系統(tǒng)置于高低溫低氣壓試驗箱的中間位置。之后，啟動CEEC-WQ-1000，按檢定標準設定溫度與壓力值，如表2所示。

此時，高低溫低氣壓試驗箱腔內的實時采集系統(tǒng)通過溫度與壓力傳感器將溫度與壓力數據分別以電阻與電壓信號形式傳遞到信號放大模塊中，經過數據轉換后存儲至SD卡中。

表2 溫度壓力設定表

校準完畢后，取出實時采集系統(tǒng)的SD卡放置于與計算機連接的讀取器中，檢定系統(tǒng)應用軟件自動讀取本次校準的實驗數據，并在設置檢定報告格式的同時，將采集到的數據經算法處理模塊換算后得到溫度與壓力測試數據，并計算出測量不確定度，最終輸出檢定報告，系統(tǒng)運行流程如圖3所示。

5 驗證測試結果分析

圖3 系統(tǒng)運行流程圖

圖4 高低溫低氣壓試驗箱自動檢定系統(tǒng)操作界面

本次驗證試驗的實驗對象選用克萊美特公司生產的高低溫低氣壓試驗箱CEEC-WQ-1000，高低溫低氣壓試驗箱檢定系統(tǒng)的操作界面如圖4所示，經過長期的摸索與實踐后，離線采集模式的高低溫低氣壓試驗箱校準系統(tǒng)設計完畢，并于去年在本中心環(huán)境與可靠性實驗室中進行了驗證試驗。

首先進行溫度校準，將校準系統(tǒng)放置到箱內指定位置，在常壓條件下，操作CEEC-WQ-1000將溫度依次設置為-65℃、-55 ℃、25.8℃、80 ℃、150 ℃，為避免記錄過多的非指定溫度數據，校準系統(tǒng)的記錄時間間隔設置為1分鐘。每個溫度點的停留時間為10分鐘左右，保證每個溫度點的標準采樣數據為10個，用于溫度數據重復性計算。

然后進行壓力校準，在常溫條件下，操作CEECWQ-1000將壓力依次設置為97.1kPa、55.8kPa、30.7kPa、21.0kPa、10.3kPa，每個壓力點停留5分鐘左右，用于壓力參數平均值計算。

CEEC-WQ-1000校準操作流程完畢后，取出SD卡放置與讀卡器中，計算機上的校準應用軟件將會自動讀取并篩選出溫度值為-65℃、-55℃、常溫、80℃、150℃的相應參數以及常溫下壓力值為97.1kPa、55.8kPa、30.7kPa、21.0kPa、10.3kPa的相應參數并計算平均值，最后求解測量不確定度。由于溫度參數較多，僅給出壓力測量結果如表3所示。

通過表3的驗證結果可知，基于離線采集模式的高低溫低氣壓試驗箱校準系統(tǒng)攻克了長久以來未能解決的技術難點，提高了高低溫低氣壓試驗箱校準技術的可靠性，在效率與計算精度上遠高于人工測量，為本中心的能力建設做出了巨大的貢獻。

表3 壓力校準數據/結果

6 總結

本文分析了傳統(tǒng)高低溫低氣壓試驗箱校準方案的不足之處，闡述了新型的高低溫低氣壓試驗箱校準研究的技術難點與可行性方案，設計出了一種基于離線采集模式的高低溫低氣壓試驗箱校準系統(tǒng)，并通過大量試驗數據驗證了該系統(tǒng)的可靠性，滿足本中心的技術指標要求，極大地提高了本中心的工作效率與影響力，為后續(xù)的規(guī)范化建設打下了夯實的基礎。

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