壓力傳感器現場自動檢定系統設計

鄧紅艷，朱 斌

（中國工程物理研究院計量測試中心，四川 綿陽 621900）

0 引 言

壓力傳感器廣泛地應用于機械、冶金、石油、化工、航空、航天等各個學科領域，越來越多的使用單位提出了現場測試壓力傳感器的需求[1]。目前，實驗室對壓力傳感器的測試和校準仍采用傳統的檢定方法，即用氣體（液體）活塞式壓力計作為標準源，將壓力值溯源到質量標準。活塞式氣體（液體）壓力計，由于其體積大、質量大（壓力計和砝碼都很重）、不便于攜帶，因此僅限于實驗室使用而無法進行現場測試。

隨著傳感技術的高度發展及計算機技術的日趨成熟，使得實現壓力傳感器的現場自動化檢定成為可能[2]。采用北京康斯特儀表科技有限公司生產的CST2005智能數字壓力校驗儀和智能數字壓力模塊組成智能數字壓力校驗系統（準確度為0.05級），取代二等標準活塞式壓力計（準確度為0.05級）。并利用數字壓力校驗儀的RS232接口和數字繁用表的GPIB接口分別與計算機進行通信，組建一套現場壓力傳感器自動檢定系統，實現壓力傳感器檢定數據的自動采集、數據自動處理[3]以及原始記錄、檢定證書（或檢定結果通知書）的自動生成和打印等功能。

1 壓力傳感器現場自動檢定系統設計方案

1.1 檢定系統原理

壓力傳感器現場自動檢定系統的硬件主要由便攜式壓力發生器、智能數字壓力校驗系統、穩壓電源、數字繁用表、筆記本電腦、打印機、GPIB-USB和RS232-USB通信電纜數據線組成。其系統原理框圖如圖1所示[4]。

圖1 系統原理框圖

1.2 檢定系統主要硬件的選型分析和組合方案設計

1.2.1 選擇便于現場檢定的便攜式壓力發生器

由于壓力傳感器的使用介質和環境不同，故選用體積小、質量小、密封性好、便于攜帶的如下壓力發生器：壓力范圍為－0.098～10MPa的CST1002B臺式氣壓壓力泵，其傳壓介質為空氣（檢定氣體介質的壓力傳感器）；壓力范圍為0～60MPa的CST1004和1～250MPa的CST1005C高壓液體壓力泵，其傳壓介質均為油（檢定油介質的壓力傳感器）。

1.2.2 智能數字壓力校驗系統的選擇

智能數字壓力校驗系統由智能數字壓力模塊和智能數字壓力校驗儀2部分組成。

（1）智能數字壓力模塊的選型

1）首先確定被檢壓力傳感器最大壓力量程Pmax，最小壓力量程Pmin，被檢壓力傳感器準確度Δ被檢、壓力模塊準確度Δ標準。

2）計算量程覆蓋倍數n為

3）模塊量程選擇為：第1只模塊為Pmax、第2只模塊為Pmax/n、第3只模塊為Pmax/n2、第x只模塊為Pmax/nx-1，直到覆蓋被檢壓力傳感器最小量程Pmin。

通過對實驗室歷年檢定壓力傳感器的統計，絕大部分被檢傳感器的量程都在100MPa（含100MPa）以下，故選擇了如下量程的壓力模塊：0～100 MPa、0～60MPa、0～30MPa、0～16MPa、0～10MPa、0～6MPa、0～4 MPa、0～2 MPa、0～1 MPa、-100～0 kPa。利用以上壓力模塊作為標準器即可檢定測量上限≤100MPa、準確度等級為0.2級（包含0.2級）以下的壓力傳感器。

（2）智能數字壓力校驗儀的選擇

選用體積小、質量小、受環境影響小、便于攜帶的CST2005智能數字壓力校驗儀作為標準器的顯示設備，它可以同時顯示壓力測量值、電壓輸出（測量）值、電流輸出（測量）值、參考環境溫度、日期、時間以及以秒作單位的倒計時（壓力檢漏用）。可以配置任意多的智能數字壓力模塊，具有RS232接口，所有鍵盤功能都可以通過串口指令完成，開放的通信規約，可以完成現場壓力傳感器的自動檢定。

1.2.3 硬件組合方案設計

（1）由CST1002B臺式氣壓壓力泵，量程為-100～0 kPa、0～10 MPa的智能數字壓力模塊，CST2005 智能數字壓力校驗儀，穩壓電源，數字繁用表，筆記本電腦，打印機等組成的檢定系統可以檢測－0.098～10MPa的氣體壓力傳感器。

（2）由CST1004和CST1005C高壓液體壓力泵，0～100MPa、0～60MPa、0～30MPa、0～16MPa、0～10MPa、0～6MPa、0～4 MPa、0～2 MPa、0～1 MPa 智能數字壓力模塊，CST2005智能數字壓力校驗儀，穩壓電源，數字繁用表，筆記本電腦，打印機等組成的檢定系統可以檢測0～100MPa的液體壓力傳感器。

1.3 檢定系統技術指標

智能數字壓力校驗系統（標準器）的準確度為0.05級（包括年穩定性和遲滯）；CST1002B、CST1004和CST1005C 3臺壓力發生器均做了密封性試驗，符合國家檢定規程對密封性試驗的要求；數字繁用表電流/電壓的測量準確度為0.02%讀數。因此，該檢定系統可用于檢定0.2級（包含0.2級）以下，測量范圍分別為－0.098～10MPa的氣體壓力傳感器和0～100MPa的油介質壓力傳感器。

1.4 檢定系統軟件的研究與設計

系統采用美國NI公司的LabVIEW8.6作為軟件開發工具。系統軟件主要包括設備及信息數據庫管理、數據自動采集、誤差計算、檢定有效期的自動計算以及檢定證書、檢定結果通知書、原始記錄自動生成等功能模塊[5]。利用智能數字壓力校驗儀的外圍數據接口（RS232接口）和數字繁用表的外圍數據接口（GPIB接口），配置RS232-USB和GPIB-USB接口線分別與計算機進行通信[6]，并編制自動測量和校準程序。該程序可自動進行數據記錄、自動生成表格、自動進行數據修約、自動進行誤差計算、檢定數據可存儲、打印等（可打印檢定原始記錄、檢定證書及檢定結果通知書），從而省去了手工記錄及重復而繁雜的計算勞動，檢測效率大大提高，而且避免了人為誤差。該自動化檢定程序現已進行有效性驗證，驗證有效，可以使用。其N-S結構化流程圖如圖2所示。

圖2 自動化檢定程序N-S結構化流程圖

2 壓力傳感器現場自動檢定方法和過程

（1）按照圖1所示做好壓力發生器、智能數字壓力校驗系統、計算機和配套儀表之間的連接。根據被檢壓力傳感器的量程選擇合適的壓力模塊，將壓力模塊引壓口接到壓力發生器上，連接好，不能泄露；將壓力模塊的電信號連接端接到CST2005的壓力模塊接口上。

（2）將CST2005智能數字壓力校驗儀的RS232接口和數字繁用表的GPIB接口通過RS232-USB和GPIB-USB數據線分別與計算機的USB接口連接起來。

（3）在檢定系統的主界面中有一個選項卡控件，上面有5張卡片，分別是檢定環境及配套儀器信息、壓力標準器信息、客戶及被檢傳感器信息、通信及待測壓力點信息、壓力傳感器實際測量值信息。以下拉菜單方式直接選擇（輸入控件中有此信息）或鍵盤輸入（輸入控件中沒有此信息）相關信息，然后點擊“運行”按鈕，開始壓力傳感器的自動化檢定。

（4）正行程壓力檢定[7]。首先從測量下限（或零點）開始，自動判斷計算機采集到的CST2005值是否等于壓力傳感器選取的第1個待檢壓力值。一旦相等，計算機自動采集數字繁用表的當前值；若不相等，計算機將一直判斷，直到相等為止。按規定選取的檢定點逐點平穩地升高壓力至壓力傳感器的測量上限值，依次自動采集各檢定點正行程輸出值。

（5）反行程壓力檢定[7]。正行程壓力檢定完成后，開始做反行程壓力檢定，從測量上限處開始，自動判斷計算機采集到的CST2005的值是否等于壓力傳感器選取的的最后1個待檢壓力值。一旦相等，計算機自動采集數字繁用表的當前值；若不相等，計算機將一直判斷，直到相等為止。再逐點平穩地降壓至測量下限，依次自動采集各檢定點的反行程輸出值。

（6）按照以上正、反行程檢定方法，根據傳感器準確度等級進行n次循環檢定，依次自動采集各檢定點的輸出值。測試軟件隨即自動處理采集的數據，自動生成檢定原始記錄、檢定證書（或檢定結果通知書），檢定完畢。

3 結束語

應用數字化高準確度的壓力測量儀器和計算機程控技術組建的壓力傳感器現場自動檢定系統，是一項提高壓力計量測試技術水平的工作，它的建立標志單位具備了現場壓力傳感器自動化檢定的能力。

用該自動檢定系統代替過去用二等標準活塞式壓力計以“稱重法”手工檢定的技術，減輕了檢定人員的勞動強度，提高了壓力傳感器的檢測效率和檢測質量。目前，該壓力傳感器自動檢定系統已運用到實驗室的日常檢定中，對該自動檢定系統與傳統的手工檢定進行了比較，工作效率至少提高了2倍。

[1] 唐賢遠，劉岐山.傳感器原理及應用[M].成都：電子科技大學出版社，1998：35-53.

[2] 陳來好.自動控制工程基礎[M].廣州：華南理工大學出版社，1995：70-94.

[3] 曹柱中.自動控制理論與設計[M].上海：上海交通大學出版社，1991：23-45.

[4] 孫虎章.自動控制原理[M].2版.北京：中央廣播電視大學出版社，1994：81-97.

[5] 黃迪明.軟件技術基礎[M].成都：電子科技大學出版社，2000：17-33.

[6] 周其節，李培豪.自動控制原理[M].廣州：華南理工大學出版社，1989：56-74.

[7]JJG 860—1994壓力傳感器（靜態）檢定規程[M].北京：中國計量出版社，2002.