航天器環(huán)境試驗(yàn)中壓力變送器自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)用與研究

支若　袁明　涂繼春　鄭紫暉　崔玉奇　樊巖松

摘? ?要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境參數(shù)變送器等精密儀器得到了廣泛使用。依照國(guó)家最高級(jí)別航空標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的產(chǎn)品，不少單位則瞄準(zhǔn)了這個(gè)大市場(chǎng)，航天領(lǐng)域是主要目標(biāo)市場(chǎng)，產(chǎn)品應(yīng)用面較廣，也會(huì)將軍用、民用市場(chǎng)作為目標(biāo)市場(chǎng)。文章主要介紹了航天器環(huán)境試驗(yàn)中的壓力變送器自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，結(jié)合具體的壓力變送器自動(dòng)校準(zhǔn)儀器組織和性能等，分析這一技術(shù)在航天器環(huán)境試驗(yàn)中的積極作用。

關(guān)鍵詞：航天器;環(huán)境試驗(yàn);壓力變送器;自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)

現(xiàn)階段，電子數(shù)顯儀器行業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)品大幅增長(zhǎng)主要有兩個(gè)原因：（1）市場(chǎng)的巨大需求，特別是航空航天、軍工、重工業(yè)等市場(chǎng)的巨大發(fā)展，引發(fā)了電子數(shù)顯儀器市場(chǎng)的迅速增長(zhǎng)。（2）電子數(shù)顯儀器行業(yè)近幾年迅速向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，取得了較快增長(zhǎng)。從近期中國(guó)數(shù)顯行業(yè)發(fā)展的情況來(lái)看，勢(shì)頭喜人，與全國(guó)制造業(yè)一樣，雖然遇到了不少困難，但仍然保持向上發(fā)展的態(tài)勢(shì)。其中的自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，是相關(guān)設(shè)備儀器適應(yīng)當(dāng)前智能制造和生產(chǎn)發(fā)展趨勢(shì)下形成的有效技術(shù)之一，對(duì)于切實(shí)提升整體航天器環(huán)境試驗(yàn)壓力變送器的應(yīng)用質(zhì)量和效益具有顯著作用。

1? ? 航天器環(huán)境試驗(yàn)中壓力變送器應(yīng)用的作用

在進(jìn)行航天器的地面環(huán)境模擬試驗(yàn)中，需要借助相關(guān)的壓力變送器來(lái)對(duì)一些部位和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行測(cè)量，主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：

進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)壓力測(cè)試，對(duì)于設(shè)備的密封性進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)航天器的充氣、氣瓶氣密性進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)行置換或者增壓操作;針對(duì)地面輔助設(shè)備也需要進(jìn)行相應(yīng)的壓力測(cè)試，針對(duì)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行壓力測(cè)控，針對(duì)潔凈壓縮空氣、氮?dú)狻⒁貉酢⒁旱戎迫≡O(shè)備相關(guān)的壓力實(shí)施測(cè)量和控制。

在針對(duì)相關(guān)壓力進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中，測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性要求都比較高，要確保測(cè)量有效性，需要應(yīng)用相關(guān)的壓力測(cè)試儀表計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)，促進(jìn)整體測(cè)量精度和效率。就測(cè)量壓力參數(shù)而言，在工業(yè)中多使用壓力變送器針對(duì)壓力進(jìn)行電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換和相關(guān)模擬量的傳輸，使用電流信號(hào)的主要原因是避免測(cè)量校準(zhǔn)受環(huán)境影響，且考慮到電流源內(nèi)阻無(wú)窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中對(duì)信號(hào)的質(zhì)量不會(huì)有直接影響。就目前壓力變送器信號(hào)在校準(zhǔn)中的應(yīng)用來(lái)看，屬于DDE-111系統(tǒng)的，其負(fù)載電阻在0～350 kΩ范圍內(nèi)，輸出模擬直流電流信號(hào)在4～20 mA[1]。相關(guān)壓力變送器的校準(zhǔn)以往都是通過(guò)手動(dòng)完成，在校準(zhǔn)中會(huì)出現(xiàn)很多的麻煩，容易導(dǎo)致誤差。為了提g高校準(zhǔn)工作效率以及測(cè)量精度，可以開(kāi)發(fā)利用壓力變送器的自動(dòng)校準(zhǔn)裝置，提升校準(zhǔn)精度和效率，避免誤差。

2? ? 自動(dòng)校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行原理設(shè)計(jì)

2.1? 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的壓力變送器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置主要是通過(guò)工控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、壓力控制器系統(tǒng)、被繳準(zhǔn)壓力變送器、輔助設(shè)施、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)等組合，構(gòu)成完整的自動(dòng)校準(zhǔn)裝置。在具體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總控中，使用研華工控機(jī)，并安裝相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)控程序，在相應(yīng)的供氣系統(tǒng)中使用氮?dú)馄浚?lián)合減壓閥來(lái)實(shí)現(xiàn)供氣，為自動(dòng)校準(zhǔn)工作提供相應(yīng)的氣體，在相應(yīng)的壓力控制系統(tǒng)中，針對(duì)所供的氣體根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)實(shí)施輸出，為系統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)提供相應(yīng)的壓力源。自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊借助計(jì)算機(jī)以及儀器設(shè)備的通信接口使用，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)控程序來(lái)設(shè)定相應(yīng)的壓力變送器校準(zhǔn)值，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)和ADC芯片，配合多種傳感器，能夠采集、處理、顯示幾乎所有生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境和產(chǎn)品參數(shù)[2]。利用外部存儲(chǔ)芯片，能夠記錄、采集運(yùn)算過(guò)程中的所有數(shù)據(jù)。可通過(guò)不同的驅(qū)動(dòng)器和接口，實(shí)現(xiàn)不同顯示平臺(tái)的圖形顯示。通過(guò)可控硅、運(yùn)算放大器和PID控制環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)大部分生產(chǎn)線的生產(chǎn)過(guò)程控制。綜上所述，相應(yīng)的功能系統(tǒng)可利用自身強(qiáng)大的功能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化、智能化。在自動(dòng)校準(zhǔn)裝置中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以根據(jù)具體的接口通信，針對(duì)變送器相應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行收集和保存，開(kāi)展校準(zhǔn)證書的有效處理。在最終的執(zhí)行系統(tǒng)中，將相應(yīng)的壓力值傳送到被檢定的變送器中，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)目標(biāo)。

2.2? 自動(dòng)校準(zhǔn)原理

自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)按照壓力變送器的具體測(cè)量范圍以及進(jìn)度情況，可以選擇相應(yīng)的校準(zhǔn)點(diǎn)，保證相應(yīng)的校準(zhǔn)點(diǎn)可以按照量程來(lái)均勻排列，需要涵蓋上限值以及下限值，一般會(huì)多于5個(gè)點(diǎn)[3-4]。對(duì)于測(cè)量進(jìn)度要求在高于0.1級(jí)以及0.05級(jí)的壓力變送器中，選擇的校準(zhǔn)點(diǎn)則需要大于9個(gè)。

按照輸入壓力以及壓力變送器上下限值的調(diào)整，保證其和理論的上下限值保持一致，完成對(duì)于相應(yīng)壓力變送器的零點(diǎn)以及滿量程校準(zhǔn)。

在進(jìn)行校準(zhǔn)之前，需要在相應(yīng)的計(jì)算機(jī)虛擬儀器測(cè)控軟件中進(jìn)行設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，這是實(shí)施自動(dòng)校準(zhǔn)的準(zhǔn)備階段工作。基于計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制作用，控制器從測(cè)量下限起就可以開(kāi)始自動(dòng)間隔加壓，在壓力達(dá)到相應(yīng)設(shè)定值的情況保持相應(yīng)的數(shù)值能夠穩(wěn)定2 s以上。此時(shí)，壓力變送器能夠?qū)τ谟?jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的信息反饋，借助虛擬儀器測(cè)控軟件，能夠?qū)Ρ恍?zhǔn)的壓力變送器傳輸?shù)碾娏髦颠M(jìn)行檢測(cè)和讀取，在完成相關(guān)數(shù)據(jù)的保存后，計(jì)算機(jī)可以針對(duì)壓力控制器來(lái)發(fā)布指令，實(shí)施下一階段的校準(zhǔn)測(cè)試，在最終的壓力測(cè)量達(dá)到上限的情況下，軟件會(huì)自動(dòng)逐點(diǎn)進(jìn)行減壓，返回原來(lái)的測(cè)量位置，最終回到零點(diǎn)位置，完成一個(gè)自動(dòng)校準(zhǔn)的過(guò)程。

完成自動(dòng)校準(zhǔn)后，軟件還會(huì)針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終獲得相應(yīng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)果，將校準(zhǔn)結(jié)果打印出來(lái)，形成校準(zhǔn)證書，就能夠作為航天器對(duì)應(yīng)的壓力變送器的具體校準(zhǔn)證書了。

3? ? 虛擬儀器測(cè)控軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在進(jìn)行整個(gè)自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)中，需要用到虛擬儀器測(cè)控軟件，這是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制操作的重要軟件基礎(chǔ)，采取LabView軟件[5]，其是一種編程語(yǔ)言，具有圖形化的特點(diǎn)，在目前的圖形化軟件中應(yīng)用比較廣泛，整體功能也比較完善，在很多工業(yè)領(lǐng)域、實(shí)驗(yàn)研究以及學(xué)術(shù)領(lǐng)域都有不同程度的應(yīng)用。這一軟件能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集和精準(zhǔn)的儀器控制目標(biāo)，該軟件系統(tǒng)中包含的數(shù)據(jù)采集卡硬件驅(qū)動(dòng)以及相關(guān)地鐵通信協(xié)議功能都得以實(shí)現(xiàn)[6]，還包含了相關(guān)的庫(kù)函數(shù)，使用該軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編程，具有良好的使用效果，就其具體功能結(jié)構(gòu)來(lái)看，主要包含多個(gè)模塊，即壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置控制模塊、信息模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、生成模塊等，不同模塊完成不同的任務(wù)，構(gòu)成一個(gè)強(qiáng)大的軟件測(cè)控系統(tǒng)。

4? ? 自動(dòng)校準(zhǔn)成效

根據(jù)設(shè)計(jì)的壓力變送器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的實(shí)踐應(yīng)用，在相應(yīng)的航天器地面模擬試驗(yàn)中，使用這一自動(dòng)校準(zhǔn)裝置，最終檢測(cè)的精度示值誤差值可以控制在合理范圍內(nèi)，符合檢定要求，相應(yīng)的回程誤差也符合檢定規(guī)定[7]，表明這一自動(dòng)校準(zhǔn)裝置在航天器環(huán)境試驗(yàn)中應(yīng)用，能夠滿足要求，具有一定的應(yīng)用可行性。為了驗(yàn)證壓力變送器自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的有效性，嘗試通過(guò)大量試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，得出整體壓力變送器的自動(dòng)校準(zhǔn)都能夠達(dá)到要求的結(jié)論。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)航天器環(huán)境試驗(yàn)中壓力變送器的自動(dòng)校準(zhǔn)需要，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的自動(dòng)校準(zhǔn)裝置，產(chǎn)品嚴(yán)格按照航天級(jí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)制作，生產(chǎn)過(guò)程以中國(guó)航天最高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格要求，產(chǎn)品具有使用范圍廣、儀表精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適用于航天航空、軍工企業(yè)以及廣大生產(chǎn)制造企業(yè)，與市面上的同類產(chǎn)品相比，精度更高＼質(zhì)量更可靠。該自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)是利用計(jì)算機(jī)和虛擬儀器測(cè)控軟件對(duì)壓力變送器的壓力控制器以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，能夠有效實(shí)現(xiàn)壓力變送器的自動(dòng)校準(zhǔn)，提升整體的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)精度和有效性。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，使用該自動(dòng)校準(zhǔn)裝置后，能夠有效減少校準(zhǔn)所耗費(fèi)的時(shí)間，校準(zhǔn)效率顯著提升。在大量試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)校準(zhǔn)裝置整體的運(yùn)行穩(wěn)定性比較好，符合相關(guān)的校準(zhǔn)檢定要求，裝置整體運(yùn)營(yíng)有效。

[參考文獻(xiàn)]

[1]秦亭亭，馬力，洪扁，等.基于LabVIEW的壓力變送器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制[J].儀器儀表用戶，2019（9）：1-3.

[2]周恒，祝志良，黃兵.動(dòng)態(tài)直接比較法在校準(zhǔn)絕對(duì)壓力變送器中的應(yīng)用[J].工業(yè)計(jì)量，2019（2）：19-22.

[3]蔣靜，沈文杰，田昀.一體化溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)裝置[J].上海計(jì)量測(cè)試，2016（1）：2-4.

[4]宋瑞海，張書鋒，王歡，等.航天器地面模擬試驗(yàn)中壓力變送器自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)[J].航天器環(huán)境工程，2013（1）：112-114.

[5]宋瑞海，張書鋒，王歡，等.航天器環(huán)境試驗(yàn)中壓力變送器自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)研究[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2012（S1）：42-44.

[6]李項(xiàng)華，董紅斌，韓飛.提高檢定/校準(zhǔn)能力 為西氣東輸工程提供計(jì)量支撐—陜西省計(jì)量院服務(wù)西氣東輸工程12年紀(jì)實(shí)[J].中國(guó)計(jì)量，2017（3）：10-12.

[7]徐春花，祁力平.常用壓力變送器的工作原理及其校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)定[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2013（20）：110-111，113.

Abstract：With the development of science and technology， the precision instruments such as environmental parameter transmitter have been widely used. In line with the products produced at the highest level of the countrys aviation standards， a number of units have targeted the big market， and the space sector is the main target market， the product has a wide application range， and the product is also used by general and civil market as the target market. In this paper， the automatic calibration technique of pressure transmitter in spacecraft environment test is introduced， and the organization and performance of the instrument are automatically calibrated with the specific pressure transmitter， and the active role of this technique in the environmental test of the spacecraft is analyzed.

Key words：spacecraft; environmental test; pressure transmitter; automatic calibration technique