商用空調(diào)壓力傳感器批量校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制

陳春宇，谷小紅

（浙江二花制冷集團(tuán)有限公司，浙江 新昌 312500）

0 引言

商用空調(diào)用壓力傳感器一般精度不高（2%～3%以內(nèi)即可）、溫度補(bǔ)償區(qū)域?qū)挘?30℃～120℃），可靠性要求高，成本、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、批量化、性價(jià)比要求極高，一般與電子膨脹閥搭配使用，主要安裝在壓縮機(jī)的進(jìn)排氣口來檢測(cè)系統(tǒng)的排氣壓力和吸氣壓力。本文針對(duì)目前商用空調(diào)壓力傳感器的校準(zhǔn)、補(bǔ)償和生產(chǎn)效率等方面存在的不足，研制出一套自動(dòng)化的批量校準(zhǔn)系統(tǒng)，從而可以通過軟硬件的設(shè)計(jì)，對(duì)多個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，獲取對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)在一定的溫度范圍內(nèi)，依次對(duì)靈敏度、零點(diǎn)偏移進(jìn)行修正，通過多方位的計(jì)算和修正，獲得相關(guān)的溫度補(bǔ)償系數(shù)，最終將數(shù)據(jù)寫入傳感器的芯片中，能多通道、全自動(dòng)、高質(zhì)量、快速完成多個(gè)壓力傳感器的整個(gè)補(bǔ)償過程，對(duì)于提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品批次一致性有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 商用空調(diào)壓力傳感器批量校準(zhǔn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成：主控模塊、壓力控制模塊、溫度控制模塊、多路硬件校準(zhǔn)模塊和傳感器。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1.1 系統(tǒng)主要模塊

（1）主控模塊

主控模塊包含工控機(jī)、串口擴(kuò)展卡、軟件，可以通過各自的協(xié)議控制校準(zhǔn)溫度和校準(zhǔn)壓力，并與多路硬件校準(zhǔn)模塊連接，對(duì)傳感器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

（2）壓力控制模塊

壓力控制模塊為傳感器校準(zhǔn)時(shí)提供精確的壓力，受主控模塊控制來調(diào)整相應(yīng)的壓力值。

圖1 系統(tǒng)框圖

（3）溫度控制模塊

溫度控制模塊為傳感器校準(zhǔn)時(shí)提供精確的溫度，受主控模塊控制來調(diào)整相應(yīng)的溫度值。

（4）多路硬件校準(zhǔn)模塊

硬件校準(zhǔn)模塊為多通道，8～256路通道可配置，可以一次性連接多路傳感器，主控模塊需要通過其采集傳感器數(shù)據(jù)以及給傳感器寫入補(bǔ)償數(shù)據(jù)。

主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，由其來統(tǒng)一控制壓力控制模塊、溫度控制模塊、多路硬件校準(zhǔn)模塊，通過各自的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)通訊。

1.1.2 系統(tǒng)主要功能

（1）自動(dòng)批量校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償

工控機(jī)通過串口連接和壓力控制器、高低溫箱、多路硬件校準(zhǔn)系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，并且能自動(dòng)按照設(shè)置的程序?qū)崿F(xiàn)壓力傳感器校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償過程。

（2）型號(hào)管理功能

可對(duì)各個(gè)型號(hào)產(chǎn)品的參數(shù)進(jìn)行分類和管理，在生產(chǎn)時(shí)只需調(diào)用對(duì)應(yīng)型號(hào)即可，無需重復(fù)設(shè)定，可以降低工人在現(xiàn)場(chǎng)的出錯(cuò)概率。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

采用access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，輸出execl文件格式的報(bào)表，可以聯(lián)網(wǎng)至服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 壓力控制模塊

壓力控制模塊主要由進(jìn)氣口、球閥、壓力控制器等組成。壓力控制器采用了GE德魯克的PACE5000，和工控機(jī)可以通過RS-232實(shí)現(xiàn)通訊，可由軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的自動(dòng)控制。另外考慮到用氣量，在壓力控制器前會(huì)增加儲(chǔ)氣罐來保證系統(tǒng)的氣源充足，同時(shí)在管路的必要位置（如進(jìn)氣口、出氣口等）安裝壓力表進(jìn)行監(jiān)控，來保證壓力的準(zhǔn)確性和防差錯(cuò)，具體設(shè)計(jì)如圖2系統(tǒng)氣路圖所示。

圖2 系統(tǒng)氣路圖

1.2.2 溫度控制模塊

溫度控制模塊主要由高低溫箱組成，為傳感器提供恒定的環(huán)境溫度。

1.2.3 多路硬件校準(zhǔn)模塊

多路硬件校準(zhǔn)模塊將串行變成并行，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)壓力傳感器同時(shí)進(jìn)行保溫和保壓，大大降低了生產(chǎn)時(shí)間。本次設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)對(duì)最多256路壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。多路硬件校準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 多路硬件模塊結(jié)構(gòu)框圖

多路硬件校準(zhǔn)模塊以8路通道為一個(gè)小模塊，每個(gè)小模塊上的8個(gè)通道通過RS-485總線進(jìn)行連接，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器。各個(gè)小模塊通過RS-485總線進(jìn)行連接，最后通過RS-485總線連接到工控機(jī)，最多可以配置256路系統(tǒng)共32個(gè)模塊。

1.2.4 主控模塊

主控模塊由工控機(jī)、軟件構(gòu)成。工控機(jī)通過RS-232串口向壓力控制器、高低溫箱和多路硬件校準(zhǔn)系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)指令，讓它們按照軟件設(shè)定的過程執(zhí)行相應(yīng)的命令，使壓力控制器實(shí)現(xiàn)精確的壓力校準(zhǔn)，并根據(jù)需要升壓、降壓及保壓。高低溫箱提供傳感器恒定的環(huán)境溫度，并根據(jù)需要升溫、降溫及保溫。多路硬件校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳感器和軟件之間的雙向通訊，通過采集傳感器方的數(shù)據(jù)傳輸給軟件，軟件通過計(jì)算后，再將其傳輸至傳感器信號(hào)調(diào)理芯片中。如圖4所示為主控模塊。

圖4 主控模塊圖

2 系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)

合格率及一致性評(píng)價(jià)試驗(yàn)的主要目的是為驗(yàn)證在批量生產(chǎn)過程中的合格率及一致性。

試驗(yàn)方法：在所有通道都連接上傳感器（即256只），每天進(jìn)行補(bǔ)償，連續(xù)5天，補(bǔ)償完成后在-30℃、0℃、20℃、50℃、80℃、120℃環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精度測(cè)試，最后統(tǒng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)，確認(rèn)相關(guān)的質(zhì)量情況。

補(bǔ)償后測(cè)試概況為：每天補(bǔ)償256只，連續(xù)5天，共補(bǔ)償產(chǎn)品1280只，精度超差8只，即補(bǔ)償成功為1272只，合格率達(dá)到99.4%。另外結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)差及六西格瑪對(duì)-30℃、0℃、20℃、50℃、80℃、120℃這 5 個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，補(bǔ)償合格率為99.4%，可以滿足生產(chǎn)需求。另外從各個(gè)溫度下的測(cè)試數(shù)據(jù)看，補(bǔ)償后產(chǎn)品的精度在±3σ范圍內(nèi)最大為-0.96%FS，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于要求的±2%FS，表明一致性很好。

表1 一致性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

本文研制了一套商用空調(diào)壓力傳感器多路自動(dòng)校準(zhǔn)與溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，對(duì)軟硬件組合、系統(tǒng)補(bǔ)償過程、系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了研究：

（1）基于信號(hào)調(diào)理芯片的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，設(shè)計(jì)了商用空調(diào)壓力傳感器自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓ぷ髁鞒蹋瑢?shí)現(xiàn)了高效率的系統(tǒng)數(shù)字化校準(zhǔn)與補(bǔ)償；

（2）集成工控機(jī)、高低溫箱、壓力控制器、多路硬件校準(zhǔn)系統(tǒng)等部件開發(fā)系統(tǒng)，內(nèi)置溫度補(bǔ)償算法和自動(dòng)校準(zhǔn)軟件，實(shí)現(xiàn)了商用空調(diào)壓力傳感器的批量自動(dòng)化校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償；

（3）對(duì)合格率及一致性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明系統(tǒng)可以滿足生產(chǎn)需求。