多點壓力校準裝置的研究與實現

金一鳴，朱海東

（上海市金山區計量質量檢測所，上海 201508）

0 引言

在工業應用中需要使用大量的壓力測量儀表，考慮到壓力傳感器的線性度及對測量精度的要求，需要對出差壓力顯示儀表或者壓力變送器進行出廠校準和現場周期校準。目前校準的方式主要有3 種：儀表自帶表頭設置校準、上位機軟件校準和手持設備校準。基于第3 種手持設備校準的思路設計出一套便于生產和現場校準用的多點壓力校準裝置，校準裝置主要包括四大功能：時間設置、校準操作、裝置設置和產品測試。控制器自身為12864 點陣液晶顯示，前面板按鍵操作，后面板端子接線[1]。

1 寄存器及參數表

校準裝置的主控制器采用Modbus-RTU 中的03 命令與變送器板進行通信，寄存器變量范圍%R40001 ～%R40032，控制器功能類型為Mobus-Master，變送板的功能類型為Modbus-Slave，兩個設備之間采用RS485 通信，配置參數為9600-8-n-1[2]。具體的寄存器（數據類型為16 位整型）對應關系如下：

圖1 多點壓力校準裝置功能菜單Fig.1 Multi-point pressure calibration device function menu

寄存器R1 第1 點壓力P

寄存器R2 第1 點壓力ADC

寄存器R3 第2 點壓力P

寄存器R4 第2 點壓力ADC

寄存器R5 第3 點壓力P

寄存器R6 第3 點壓力ADC

寄存器R7 第4 點壓力P

寄存器R8 第4 點壓力ADC

寄存器R9 第5 點壓力P

寄存器R10 第5 點壓力ADC

寄存器R11 第6 點壓力P

寄存器R12 第6 點壓力ADC

寄存器R13 第7 點壓力P

寄存器R14 第7 點壓力ADC

寄存器R15 第8 點壓力P

寄存器R16 第8 點壓力ADC

寄存器R17 第9 點壓力P

寄存器R18 第9 點壓力ADC

寄存器R19 量程上限20mA

寄存器R20 量程下限4mA

寄存器R21 刻度下限（小于時都輸出4mA）

寄存器R22 輸出4mA 時標準表mA 值

寄存器R23 輸出20mA 時標準表mA 值

寄存器R24 輸出類型（0-正常，1-4mA，2-20mA）

寄存器R25 變送板實時ADC 值

寄存器R26 變送板實時壓力P 值

寄存器R27 變送板理論電流mA 值

校準裝置的變量表與壓力變送板的變量表一一對應，每間隔1s 時間循環采集變送板的變量值進行顯示，同時當校準裝置的變量參數發生變化時，及時將最新數值寫入變送板并保存至flash 以免掉電丟失。同時校準裝置由于自身具備mA 采集功能，可以作為標準mA 表來測試變送板的輸出功能，達到產品全流程測試的效果[3]。

2 功能菜單

圖2 多點壓力校準裝置前面板Fig.2 Multi-point pressure calibration device front panel

圖3 時間設置菜單板Fig.3 Time setting menu bar

校準裝置的交互過程主要由12864 點陣液晶和功能按鍵來實現，如圖2 所示。液晶四周有4 個功能按鍵分別對應Key 值為34、35、36、37，如檢測到當前鍵值為34 時，代表用戶按左上按鍵。此外，還有ESC 和ENTER 鍵分別控制菜單及參數的選擇和退出。上下左右方向鍵方便用戶的設置參數的選取操作，0 ～9 共10 個按鍵便于用戶的參數輸入。裝置上電之后自動顯示默認主界面并在后臺實時進行邏輯控制[4]。

2.1 時間設置

校準裝置為了方便操作人員做原始記錄，在控制器主頁做了北京時間顯示。用戶首次設置一次日期和時間后，就可以一直應用。應用Internal registers 內部寄存器%SR047對應日期年月日，應用Internal registers 內部寄存器%SR044對應北京時間。

2.2 校準操作

變送板的壓力校準操作主要包括：量程設置，輸出電流（4mA 和20mA）校準和壓力（流量）多點校準。量程設置主要包括20mA 量程上限的參數設置，4mA 量程下限的參數設置，以及刻度下限的參數設置，需要注意的是當變送板實時測量值低于刻度下限值時，變送板輸出的理論電流值為4mA。

電流校準操作包括4mA 和20mA 兩點的校準，進入電流輸出校準菜單以后，變送板自動輸出固定4mA 值，由于變送板電流環已經與校準裝置串聯，按下功能按鈕“標定”鍵，就可以將標準表的mA 值寫入變送板對應的參數表中。同理，20mA 的校準方法和4mA 的校準操作一樣[5]。

圖4 量程設置菜單Fig.4 Range setting menu

圖5 輸出電流校準菜單Fig.5 Output current calibration menu

圖6 多點壓力（流量）校準菜單Fig.6 Multi-point pressure (flow) calibration menu

圖7 校準裝置標準電流校準Fig.7 Calibration device standard current calibration

圖8 產品測試菜單Fig.8 Product test menu

圖9 參數預覽菜單Fig.9 Parameter preview menu

壓力多點校準是校準裝置的核心功能，變送板默認支持9 個校準點操作，用戶可以根據實際需求靈活的設置校準點數。如壓力傳感器線性度較好且要求精度不高的場合只需要校準兩點（量程下限點和量程上限點）就能滿足現場需求。如果做標準壓力表或被測裝置呈現出非線性特征，此時就需要進行多點的校準操作，如5 個點、7 個點、甚至9 個點。以第1 個校準點為例，首先將變送板與壓力（流量）傳感器正確連接，同時給壓力傳感器施加標準源（壓力或流量），待液晶上采集電阻ADC 數值穩定后，點擊標定按鈕就可以把采集電阻ADC 保存至變送板的對應參數表中，再進行第2 個校準點的操作，方法與第1 個校準點類似，需要注意的是如果變送板的校準點不都參與校準運算，剩余校準點的壓力（流量）值需要置0 處理，以方便變送板的查表運算。

2.3 裝置設置

校準裝置自身帶有4mA ～20mA 的電流采集功能，可以作為一個標準的電流表來使用，因為這個功能不用經常修改。因此，需要用戶輸入密碼后進入菜單，同樣校準4mA 和20mA 兩個電流點。校準4mA 時，輸入標準4mA的電流值記錄下4mA-ADC，同理校準20mA 時，輸入標準20mA 的電流值記錄下20mA-ADC。由于變送板自身的電流環輸出或者采用DAC 或者采用PWM 輸出，去除上下限的非線性區，進行零點電流校準就能滿足整個量程的精度要求[6,7]。

2.4 產品測試

對一個壓力設備的校準固然重要，但是校準之后的結果驗證也是必不可少的。為了方便檢查壓力變送板的校準情況，設置了產品測試和參數查看兩個菜單頁面，在產品測試頁顯示時，用戶可以在整個壓力量程內給儀表施加壓力源并觀察變送板輸出的mA 情況，為了方便用戶檢查，菜單除了顯示實時測量值，還顯示理論電流值和測量電流值，這樣更加直觀便于用戶判斷校準情況。

此外，參數查看頁可以一次性列出所有的寄存器（參數表）的當前數值。如果用戶在預覽過程中發現某一個或者幾個點的參數不正確，可以重新進入校準菜單進行針對性校準。如果用戶針對變送器要進行批量校準，可以將寄存器表（參數表）變量范圍%R40001 ～%R40032，填寫當前批次傳感器的經驗校準值，因為同一批次的傳感器及電子元件具有相似性，可以滿足一定精度范圍內的產品要求，實現批量化。

3 結論

本文闡述了多點壓力校準裝置的硬件結構、寄存器參數表、時間設置、多點壓力校準操作、裝置標準電流表設置和產品測試的整個研發過程。比較了3 種常見的壓力儀表的校準方法，介紹了校準裝置與變送板的通信方式、輸出電流校準、多點壓力校準的操作方法、裝置內部標準電流表校準以及對校準后成品的測試過程。經測試，多點壓力校準裝置可以穩定，高效地實現壓力變送板的校準操作，達到了預期的設計效果。