基于PPC4E數(shù)字式壓力控制器的壓力儀表自動檢定/校準技術研究

鄭金娟，郭勇冠

(中國飛行試驗研究院，陜西西安710089)

0 引言

壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)，壓力檢測設備被廣泛應用于航空工業(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，型號試飛任務繁重，對壓力參數(shù)的計量工作提出了更高的要求。計量工作必須保證整個飛行試驗過程中參數(shù)量值的統(tǒng)一性、測試數(shù)據(jù)的準確性及各類儀器設備的安全性、可靠性。因此，迫切需要在檢定/校準工作中減少人為因素的影響，提高計量工作的準確度和效率。

1 實驗室用PPC4E簡介

PPC4E是美國FLUKE公司推出的一款數(shù)字式壓力控制器，旨在實現(xiàn)從校準實驗室到制造業(yè)中的高性能通用氣體壓力校準。作為壓力標準器，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力的全自動控制，其融合了最佳特性、測量技術和來自DHI部門的專利PPC壓力控制技術，可提供極為廣泛的壓力量程覆蓋范圍，實現(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量檢定/校準工作。同時，PPC4E配置的RS－232及IEEE－488.2遠程接口能夠方便的實現(xiàn)與計算機的通訊。

結(jié)合日常計量工作以及實驗室現(xiàn)有設備，本文主要介紹了實驗室用0～7 MPa PPC4E數(shù)字式壓力標準裝置在計量中的應用及其基于LabVIEW平臺的自動化計量技術。PPC4E數(shù)字式壓力標準裝置主要由氮氣瓶、真空泵、PPC4E控制器、油氣分離裝置和被檢壓力儀表接口構成，其結(jié)構圖如圖1所示。油氣分離裝置能夠隔離被檢設備帶來的油污染，防止PPC4E裝置及其連接管路受到污染，三個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。

在手動計量檢定壓力儀表時，通過PPC4E控制器的面板選定量程、單位和壓力目標值，等待壓力達到目標值后手動記錄被檢儀表和標準器值，如此單點設定，單點檢定。對于較多檢定點時，每一次都需要重新設定、等待并記錄，因此采用這種手動方式比較費時費力，型號試飛任務繁重時很難提供及時有效的保障。而如果能夠利用LabVIEW軟件編程實現(xiàn)自動循環(huán)分點檢定/校準，自動采集，對于不能實現(xiàn)遠程控制的儀表可以手動輸入數(shù)據(jù)，并且自動對數(shù)據(jù)進行處理，生成相應的記錄和報告，將會極大的提高科研試飛儀表檢定/校準的保障能力和效率。

圖1 PPC4E標準裝置結(jié)構圖

2 基于PPC4E實現(xiàn)自動檢定/校準

2.1 系統(tǒng)組成

依據(jù)PPC4E壓力標準裝置自身特性對其進行遠程控制，實現(xiàn)自動檢定/校準。其系統(tǒng)主要由PPC4E標準裝置、數(shù)據(jù)采集單元、計算機、打印機、以及被檢壓力儀表組成，采用串口通訊保證準確快速的數(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行檢查，包括外觀、銘牌以確定產(chǎn)品的名稱、規(guī)格型號、準確度等級、測量范圍以及額定工作壓力和輸出信號等技術指標。同時，用改變輸入壓力的方法對輸出信號上下限值進行調(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”和“滿量程”來實現(xiàn)。最后還要對實驗室的溫濕度進行檢查以確定是否滿足實驗環(huán)境要求。

被檢儀表如果是傳感器或者變送器，安裝完成后必須進行至少15 min的通電預熱，這時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，待壓力達到某一設定值時持續(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算機，計算機測試軟件自動進行數(shù)據(jù)采集、記錄后給壓力控制器發(fā)出指令，開始下一個校準點的測試。當壓力值達到設定的上限之后，壓力控制器在計算機的控制下，LabVIEW軟件程序開始反行程逐點測量，直到回到下限值完成一個循環(huán)。如此進行三個循環(huán)，測試完成。計算機通過LabVIEW軟件對數(shù)據(jù)進行處理之后得出檢定/校準結(jié)果，實現(xiàn)自動化檢定/校準。

2.3 程序設計

該自動檢定/校準程序是以NI公司的LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，根據(jù)PPC4E壓力標準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 編制自動檢定/校準程序。

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)開始運行時進行串口配置，并對該軟件進行自檢。同時提示用戶輸入待校準設備的名稱、型號規(guī)格、生產(chǎn)廠家、出廠編號、量程、準確度、校準日期和環(huán)境溫濕度以及客戶名稱。并且根據(jù)準確度要求設定校準點個數(shù)，根據(jù)量程設定測量范圍的上下限并選擇校準單位。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公司提供的遠程控制代碼通過RS232訪問PPC4E，根據(jù)測試軟件設定的點數(shù)和壓力值，實現(xiàn)標準裝置的正行程自動加壓和反行程自動卸壓，為自動校準系統(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，計算機根據(jù)輸入的被校準設備的基本信息自動計算出各校準點的理論輸出值，并與采集到的各檢定點的實際輸出值進行比較，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計算，同時顯示檢定結(jié)果并自動生成原始記錄、證書或檢定結(jié)果通知書。

5)校準費計算和參數(shù)登記模塊

該模塊作用主要是為了及時統(tǒng)計校準費用，同時建立檢定/校準數(shù)據(jù)庫，便于以后查找某壓力儀表的型號參數(shù)和校準日期。

3 檢定/校準實例

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)自動選擇6個檢定點進行實驗，檢定結(jié)果如表1所示。

表1 壓力傳感器校準結(jié)果

根據(jù)采集卡采集到的傳感器輸出數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動進行數(shù)據(jù)處理得出檢定/校準曲線，便于工作人員快速準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)與計算出的理論輸出值進行比對后，依據(jù)檢定規(guī)程得出結(jié)論:本傳感器準確度為0.2級。

4 結(jié)束語

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

1)適應了儀器儀表行業(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，為自動化檢定/校準創(chuàng)造了條件;

2)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集處理，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/校準時間，工作效率明顯提升;

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

總之，對實驗室PPC4E數(shù)字式壓力標準裝置進行自動化改造以后，極大提高了計量工作的質(zhì)量和效率，保障了科研試飛各項試驗的順利完成，同時確保了飛行試驗過程中參數(shù)量值的統(tǒng)一性、測試數(shù)據(jù)的準確性及各類儀器設備的安全性、可靠性。

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

［2］杜水友.壓力測量技術及儀表［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

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［4］RobertH.Bishop.LabVIEW 7實用教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［5］顧凱.壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)［J］.工業(yè)計量，2010，20(4):33－34.