PPC4壓力控制器的研究與應(yīng)用

馮齊斌，章天霈，張振彥

（上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 201203）

PPC4是一款單機(jī)壓力控制器，適用于設(shè)置和控制氣體壓力至一個(gè)封閉的容積，常見(jiàn)于壓力測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)和測(cè)試。PPC4的設(shè)計(jì)使其成為了最大通用性和易用性的高性能組合[1]。PPC4可裝配一個(gè)低成本的實(shí)用傳感器用于壓力監(jiān)測(cè)，或者裝配一個(gè)或兩個(gè)石英參考?jí)毫鞲衅?，使其能夠以非常低的測(cè)量不確定度來(lái)測(cè)量壓力。壓力控制是由一個(gè)基于數(shù)字控制電磁閥和差壓調(diào)節(jié)器的專(zhuān)利氣動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)的，PPC4可由用戶使用前面板的顯示屏、鍵盤(pán)和功能鍵進(jìn)行本地操作控制，或者通過(guò)一臺(tái)計(jì)算機(jī)利用RS232接口或IEEE-488.2接口采用ASCII字符命令串進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，測(cè)量上限最高可至14MPa，具有絕壓、表壓和負(fù)表壓測(cè)量模式。

1 工作原理

PPC4被設(shè)計(jì)為有兩種前面板本地界面配置。高級(jí)圖形用戶界面版本PPC4-ui通常用于臺(tái)式應(yīng)用；基本型PPC4的基本用戶界面的功能有限，通常被用于計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)用，例如自動(dòng)校準(zhǔn)。遠(yuǎn)程通信通過(guò)RS232（COM1）或IEEE-488接口實(shí)現(xiàn)。每一PPC4出廠時(shí)都配有PPC4 Cockpit軟件。PPC4 Cockpit軟件通過(guò)RS232或USB端口與PPC4進(jìn)行通信。PPC4 Cockpit軟件的功能、外觀和使用體驗(yàn)與高級(jí)用戶界面完全一樣，為用戶提供了基本型PPC4和PPC4-ui的功能性和方便易用的界面[2]。

圖1 動(dòng)態(tài)壓力控制圖Fig.1 Dynamic pressure control diagram

圖2 靜態(tài)壓力控制圖Fig.2 Static pressure control diagram

圖3 動(dòng)態(tài)壓力控制模式下的就緒/未就緒狀態(tài)圖Fig.3 Ready/not ready status diagram in dynamic pressure control mode

1.1 直接壓力控制

直接壓力控制鍵可直接手動(dòng)控制PPC4壓力的增大、減小和微調(diào)。按上鍵或下鍵使壓力以高速率增大或減小。當(dāng)未處于動(dòng)態(tài)控制模式時(shí)，按上鍵或下鍵（基本界面時(shí)）會(huì)使壓力以低速率增大或減小。在動(dòng)態(tài)控制模式下，按上鍵或下鍵會(huì)使壓力以固定量微調(diào)或步進(jìn)。在壓力控制作用期間，會(huì)使目標(biāo)壓力以固定量發(fā)生變化，每按一次步進(jìn)一步。步長(zhǎng)的約值是根據(jù)當(dāng)前的有效PPC4量程自動(dòng)設(shè)置的，可利用微調(diào)功能調(diào)整步進(jìn)值[3]。

1.2 自動(dòng)壓力控制

PPC4的自動(dòng)壓力控制功能可自動(dòng)將壓力調(diào)整及控制至用戶指定的某個(gè)目標(biāo)值。在主工作屏幕中按SET鍵即可輸入并執(zhí)行一個(gè)壓力控制目標(biāo)值，按ESC鍵或SET鍵則中斷當(dāng)前的壓力控制。在本地模式下時(shí)，發(fā)送一條遠(yuǎn)程命令也會(huì)中斷壓力控制。PPC4支持兩種壓力控制模式，以滿足不同的壓力設(shè)置和控制要求：動(dòng)態(tài)和靜態(tài)。當(dāng)選擇了某個(gè)量程或采用自動(dòng)量程時(shí)，每種控制模式的壓力控制參數(shù)均被自動(dòng)設(shè)置為所選PPC4工作量程下的最佳默認(rèn)值?？刂茀?shù)包括：

Target Pressure（目標(biāo)壓力）用戶指定的壓力設(shè)置點(diǎn)。

Hold Limit（保持限值）目標(biāo)值附近對(duì)稱的正限值和負(fù)限值，在此范圍內(nèi)維持受控的壓力。

Stability Limit（穩(wěn)定限值）壓力變化速率的限值，以壓力/秒為單位，作為靜態(tài)控制PPC4空閑時(shí)“就緒/未就緒”狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)[4]。

動(dòng)態(tài)控制模式設(shè)計(jì)用于將壓力設(shè)置為目標(biāo)值并連續(xù)進(jìn)行控制，使壓力保持在保持限值范圍之內(nèi)并盡量接近目標(biāo)值，這種控制模式的優(yōu)點(diǎn)是最終達(dá)到的壓力與目標(biāo)值相同?？刂普`差的最大值等于保持限值，控制誤差的平均值一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于保持限值。在動(dòng)態(tài)壓力控制期間，保持限值是有效的。如果壓力超出保持限值，就會(huì)發(fā)生未就緒狀態(tài)。

靜態(tài)控制模式設(shè)計(jì)用于將壓力設(shè)置為接近目標(biāo)值，然后停止主動(dòng)控制，使壓力自然穩(wěn)定在保持限值范圍之內(nèi)。這種控制模式的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需壓力控制系統(tǒng)的介入即可在定義的目標(biāo)值限值范圍內(nèi)設(shè)置和/或測(cè)量壓力。在靜態(tài)控制期間，保持限值是有效的。如果壓力超出保持限值，就會(huì)發(fā)生未就緒狀態(tài)，并且壓力被調(diào)整至目標(biāo)值[5]。

1.3 壓力就緒/未就緒

PPC4前面板上提供了就緒/未就緒指示。該指示為用戶提供了一個(gè)清晰、直觀的標(biāo)準(zhǔn)，從而確定什么時(shí)間能夠進(jìn)行有效的壓力測(cè)量。就緒/未就緒LED指示燈含義如下：

〈綠色〉壓力就緒。表示PPC4要么是正在有效地控制壓力，并且滿足就緒狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)；要么是PPC4并未在主動(dòng)控制壓力，而壓力的變化速率在穩(wěn)定限值范圍之內(nèi)。

〈黃色〉壓力準(zhǔn)就緒。PPC4正在通過(guò)精密壓力控制主動(dòng)控制壓力，并且已經(jīng)接近滿足就緒狀態(tài)的條件。

〈紅色〉壓力未就緒。要么是PPC4為空閑狀態(tài)并且壓力不滿足穩(wěn)定試驗(yàn)條件；要么是PPC4正在主動(dòng)控制壓力，但是尚不滿足就緒狀態(tài)的條件。

當(dāng)壓力控制不工作時(shí)：發(fā)生就緒狀態(tài)時(shí)，沒(méi)有控制閥動(dòng)作，壓力變化速率在穩(wěn)定限值范圍之內(nèi)。穩(wěn)定限值是以壓力變化速率定義的，單位為“當(dāng)前的壓力單位/秒”。當(dāng)壓力控制工作時(shí)：判斷就緒/未就緒狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)取決于當(dāng)前的控制模式為靜態(tài)控制還是動(dòng)態(tài)控制。當(dāng)采用自動(dòng)量程或選擇了控制模式時(shí)，壓力就緒/未就緒參數(shù)被設(shè)置為默認(rèn)值。

2 表壓和負(fù)表壓模式

圖4 靜態(tài)壓力控制模式下的就緒/未就緒狀態(tài)圖Fig.4 Ready/not ready status diagram in static pressure control mode

PPC4本質(zhì)上測(cè)量絕壓，但是它們亦可用于表壓和負(fù)表壓測(cè)量模式。利用調(diào)零功能從Q-RPT的絕壓測(cè)量讀數(shù)中減去大氣壓值，即可實(shí)現(xiàn)表壓測(cè)量模式。在表壓或負(fù)表壓測(cè)量模式下，只要PPC4處于卸壓狀態(tài)，測(cè)量程序即自動(dòng)運(yùn)行[6]。

在運(yùn)行AutoZ和刷新Poffset,G值之間，大氣壓會(huì)發(fā)生變化，例如在不卸壓而進(jìn)行全面測(cè)試時(shí)。PPC4利用大氣壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償來(lái)修正大氣壓的變化。當(dāng)執(zhí)行AutoZ時(shí)，Poffset,G值則被確定了，PPC4的內(nèi)置大氣壓計(jì)的讀數(shù)Poffatm,0也會(huì)被記錄。隨后，當(dāng)不再卸壓時(shí)，大氣壓自上次Poffset,G被刷新以來(lái)的變化值ΔPatm就是當(dāng)前大氣壓計(jì)讀數(shù)Patm和上次執(zhí)行AutoZ時(shí)的大氣壓計(jì)讀數(shù)Patm,0之差。

大氣壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能利用ΔPatm，修正Poffset,G的值，從而總是實(shí)時(shí)補(bǔ)償大氣壓的變化。（絕壓）Q-RPT的表壓測(cè)量功能可實(shí)現(xiàn)在表壓和絕壓測(cè)量模式之間的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換。表壓模式下由于大氣壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)引起的任何附加不確定度是內(nèi)置大氣壓計(jì)的分辨力和短期穩(wěn)定度的函數(shù)，而與其絕壓測(cè)量不確定度無(wú)關(guān)。該附加不確定度為±1Pa。

3 測(cè)量方式

PPC4可以設(shè)置當(dāng)前量程的測(cè)量模式（絕壓、表壓或負(fù)表壓），能夠在多達(dá)3種不同測(cè)量模式間進(jìn)行簡(jiǎn)單的一步式切換。

1）絕壓：測(cè)量相對(duì)于真空（零為真正的真空）的壓力，測(cè)量范圍從絕壓至滿量程。

2）表壓：測(cè)量相對(duì)于大氣壓的壓力（零為大氣壓），測(cè)量范圍從零至滿量程。

3）負(fù)表壓：測(cè)量相對(duì)于大氣壓的壓力（零為大氣壓），壓力值可為正或負(fù)，測(cè)量范圍從1個(gè)負(fù)大氣壓至正滿量程。

設(shè)置當(dāng)前量程的自動(dòng)壓力控制模式、自定義控制參數(shù)、當(dāng)前默認(rèn)控制參數(shù)?？刂疲–ontrol）功能可將當(dāng)前量程的控制模式設(shè)置為動(dòng)態(tài)或靜態(tài)。控制模式附屬于當(dāng)前量程并在量程發(fā)生變化時(shí)隨該量程保存。當(dāng)利用Control功能選擇了某個(gè)控制模式時(shí)，控制參數(shù)則自動(dòng)被設(shè)置為當(dāng)前量程的默認(rèn)值。默認(rèn)控制參數(shù)已經(jīng)被設(shè)置為最適合典型用戶保證PPC4的工作在壓力控制和測(cè)量技術(shù)指標(biāo)范圍之內(nèi)。每一PPC4的默認(rèn)量程都有默認(rèn)的參數(shù)，并且自動(dòng)量程功能自動(dòng)設(shè)置適合于自動(dòng)量程的控制參數(shù)。在Control功能下可查看和自定義控制模式參數(shù)。自定義保持和穩(wěn)定性控制參數(shù)會(huì)改變判斷就緒/未就緒的條件。這可用來(lái)提高控制速度（縮短達(dá)到就緒的時(shí)間）。通常通過(guò)降低控制精度提高速度，或者提高精度通常會(huì)降低控制速度。

4 結(jié)論

福祿克PPC4壓力控制器可以實(shí)現(xiàn)絕壓、表壓、負(fù)表壓多種參數(shù)的測(cè)量，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)控制模式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的壓力調(diào)節(jié)。PPC4測(cè)量精度高，控制效果好，可以滿足各類(lèi)壓力儀表的量值溯源要求。