航空發動機微壓力測試儀表自動校準系統的設計

邢 威

（中國航發沈陽發動機研究所,遼寧 沈陽 110015）

1 系統結構

微壓測試儀表自動校準系統的工作原理是基于終端通訊技術，采用PC 機向數字壓力控制器，信號采集器發送控制指令，讓壓力測試儀表獲得由標準器傳輸的壓力值，并反饋相應信號。隨機，計算機保存采集系統的數據，并就數據結果進行分析和處理，生成文件包括校準證書等供用戶使用。從結構來看，系統可以分為硬件與軟件兩部分。依托高精度壓力控制器結合相應功能延伸，組成硬件部分，軟件部分則是用于數據處理和控制器控制，二者相輔相成，缺一不可。

1.1 硬件部分

微壓自動校準系統的硬件結構主要包括高精度壓力控制器、LPS-305 型直流穩壓電源、壓力真空泵、PC 機、KEITHLEY2000 型多功能數字繁用表及壓力氣源等硬件設備組件。基于PC 機的通訊接口連接。微壓測試儀表自動校準系統的基本硬件結構圖如圖1 所示。

1.2 軟件部分

微壓校準系統的軟件部分同樣由多個結構組成，其功能室將信號采集系統、Fluke7252i 高精度壓力控制器、輸出端形成功能閉環，實現數據采集、信號輸出、判穩等自動化運行，軟件還設計了微壓校準數據庫運維功能，以方便的管理和檢索，結構如圖2 所示。

2 關鍵技術

微壓測試儀表校準部件起到基石作用，也是完成自動化校準的第一步。由于不同的被校儀表的型號、廠家、量程等參數很可能不同，所以系統應具有特定的參數設置頁面，以滿足不同儀表需要。軟件還起到協調整合的作用，將數據采集、參數設定、曲線顯示、校準證書等模塊保持相互獨立又帶有一絲聯系，自動校準程序流程如圖3 所示。

2.1 壓力信號判穩功能

由于壓力控制器的發生信號具有一定的波動性，這種波動性是無法消除的，為保證提供的標準信號穩定可靠，需要對其進行判穩驗證，實現的方法是設定一個滿足精度要求的穩定限，確保波動壓力值在穩定限以內，并達到循環判定的約定次數。

2.2 結果判穩功能

在校準過程中，為獲得穩定的數據結果，除了對微壓測試儀表承載載荷施加判定外，對測試儀表輸出信號的判讀也至關重要，一般采用軟件延時的處理方式。為更加確保數據穩定，在系統設計過程中，通過觸發信號采集器的硬件設置和軟件延時技術的結合，以達到提升穩定的延時時間，從而進一步鞏固信號采樣速度，夯實信號判穩的置信區間。

2.3 微壓傳感器輸出波動有效控制

從理論來說，通過以上多項技術處理后，微壓自動校準系統就能夠投入實驗室工作，可是經過反復調試，出現了新的問題。當輸出的標準信號穩定后，微壓力儀表的采集數據也出現了很細微的變動，這種變動呈現一定的規律性。經過研究得知，造成微小波動的內因在于壓力標準器提供的壓力信號仍具有波動性，這種波動，是由控制器輸出端閥門的高頻率切換所致，這種波動是系統本身自帶的，沒辦法消除，因此只能從儀表端入手，依托濾波手段，將被校儀表的輸出誤差進行修正，以抵消壓力標準器帶來的影響。

3 微壓傳感器數據及誤差處理

任何檢定校準工作的開展，都必須遵照相應的規程規范進行。本系統依據壓力傳感器靜態校準規程（JJG 860—2015），壓力傳感器性能測試國際標準GB/T 15478—2015 以及壓力傳感器性能試驗方法，以進行數據分析和誤差計算。

3.1 數據處理

系統數據處理采用最小二乘直線擬合法，這也是壓力傳感器系數計算的基礎算法，設置m 個校準點進行n 次循環，每一個校準點上依次有n 個正、反行程校準數據，線性傳感器特性方程一般為Y=a+bX，a為結局，b 為斜率，Y 和X 分別為輸出和輸入，對應公式如下。

正行程平均值：

反行程平均值：

第i 點的平均值：

最小二乘法擬合直線系數如下。

截距：

3.2 誤差處理

壓力傳感器誤差處理涉及重復性分析和準確度計算。

3.2.1 重復性

依據貝塞爾公式，每個校準點正反行程的采樣標準偏差的計算方法如下。

正行程采樣點標準偏差SUi為：

反行程采樣點標準偏差SDi為：

全測量行程的采樣點標準偏差S：

3.2.2 準確度

準確度是系統誤差與隨機誤差的綜合結果，取決于系統誤差帶U1與隨機誤差帶U2的大小。

線性傳感器的系統誤差帶U1，采用最小二乘直線法。

正行程的系統誤差為：

反行程的系統誤差為：

Y 為最小二乘直線方程值，U1取（ΔY）Ui和（ΔY）Di中的較大者。

傳感器的隨機誤差帶U2=±3S。

傳感器的精確度ξ 為：

4 應用情況

微壓測試儀表校準系統設計完成后，通過多種微壓測試儀表進行了反復試驗驗證，可達到以下技術指標，相應功能亦如下頁表1 所示。

表1 航空發動機微壓測試儀表自動校準系統功能指標

表2 是對BP9365 型微壓測試儀表依托系統進行的校核對比分析結果。采用不同時間點的6 次采集數據，可以看出讀數帶有一定波動性，但變化量不大，警告計算可知，波動量小于允許值，表明系統的判穩功能室可靠有效的。

表2 數據判穩比較

考慮到微壓力測試儀表系數測試環境差異以及年漂移量相對較大等影響，對不同期的儀表校準后的性能判比分析價值有限，不過對同一批次儀表的同時段多次校準結果對比意義就不同了，它對評定系統能力有著比較重要的參考作用。表3 是微壓測試儀表校準系統對儀表同期多次校準后的系數對比，結果表明同期儀表系數的系統誤差在0.03%以內，校準系數的偏差所導致的誤差在0.18 Pa 以內，微壓測試儀表系數的校準精度完全達到預期。

表3 系數對比

5 結論

微壓測試儀表自動校準系統以PC 機為核心控制單元，將數字壓力控制器、信號采集系統、微壓儀表整合，從而實現微壓測試儀表的校準過程全自動化。校準系統的出現很好解決了以往低量程校準難的問題，微壓檢定范圍在0～7 kPa。其現有檢定能力可實現量程0～1 kPa、精度0.1%的高精度微壓傳感器的檢定工作。

自成功研制以來，該系統已對我所數百件壓力參數測量箱、微壓傳感器、微差壓傳感器、微壓變送器、微壓掃描閥等壓力儀器儀表完成高質量校準工作，為精確測量發動機性能參數提供可靠的技術保障。此外嗎，校準系統還具有良好的可拓展性，依托有效的硬件擴展和后續開發，可對壓力測試儀表實現動態測試和遠程控制，拓寬了系統應用的延伸性。