宋瑞海，張書鋒，王 歡，賈軍偉，付文帥

（北京東方計(jì)量測試研究所，北京 100029）

0 引言

在航天器地面模擬試驗(yàn)中，壓力計(jì)量測試主要應(yīng)用于以下場合：1）動力系統(tǒng)的壓力測試、檢查與密封，如模擬器的充氣，氣瓶的氣密性檢查、置換和增壓；2）地面輔助設(shè)備的壓力測試和控制，如空調(diào)機(jī)組的壓力測試與控制，潔凈壓縮空氣、氮?dú)?、液氧、液氮制取設(shè)備上所涉及的各種壓力的測試與控制[1]。在上述過程中使用到的所有壓力測試儀表的準(zhǔn)確性與可靠性都要通過定期的計(jì)量校準(zhǔn)來保證。因此，壓力測試儀表的計(jì)量校準(zhǔn)工作是地面模擬試驗(yàn)的重要保障環(huán)節(jié)。

對于測量壓力參數(shù)來說，工業(yè)上普遍采用變送器將壓力轉(zhuǎn)換成電流信號來傳輸模擬量。采用電流信號的原因是不容易受試驗(yàn)環(huán)境干擾，并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響信號質(zhì)量，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。目前我們經(jīng)常校準(zhǔn)的為第二代壓力變送器，負(fù)載電阻為0～ 350 k?（如DDE-111 系列），輸出模擬直流電流信號4～20 mA。上限取20 mA 是考慮防爆的要求[2]，下限沒有取0 mA 是為了能檢測到數(shù)據(jù)傳輸線是否斷路。

壓力變送器的校準(zhǔn)傳統(tǒng)上是通過手動方式來完成的，校準(zhǔn)過程中的操作環(huán)節(jié)多、工作效率低，很 容易引入人為誤差。為了提高校準(zhǔn)工作效率和測量精度，我們開發(fā)了一套壓力變送器自動校準(zhǔn)裝置[3]。

1 自動校準(zhǔn)裝置的組成與工作原理

1.1 校準(zhǔn)裝置的組成

該裝置主要由工控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、壓力控制器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、運(yùn)動執(zhí)行系統(tǒng)、被校準(zhǔn)壓力變送器及輔助設(shè)施等組成，如圖1所示。

圖1 壓力變送器校準(zhǔn)工作原理Fig.1 Block diagram of pressure transmitter calibration

1）工控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用研華工控機(jī)，安裝了LabVIEW8.6 軟件和數(shù)據(jù)測控程序。

2）供氣系統(tǒng)用氮?dú)馄坎⑴湟詼p壓閥進(jìn)行供氣，提供校準(zhǔn)所需壓力的氣體。

3）壓力控制器系統(tǒng)將所供的氣體按照設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行輸出，用于提供標(biāo)準(zhǔn)的壓力源。

4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)和儀器設(shè)備的RS232 通信接口，由數(shù)據(jù)測控程序設(shè)定壓力變送器的校準(zhǔn)值。之后計(jì)算機(jī)按照RS232 接口通信協(xié)議，采集壓力變送器對應(yīng)的顯示數(shù)值并保存，以方便校準(zhǔn)證書的處理。

5）運(yùn)動執(zhí)行系統(tǒng)把壓力標(biāo)準(zhǔn)值傳給被檢定的壓力變送器，來實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。

1.2 壓力自動校準(zhǔn)過程

1）根據(jù)壓力變送器的測量范圍和精度，選擇校準(zhǔn)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。應(yīng)按量程基本均勻分布，一般包括上限值和下限值（或其附近10%輸入量程以內(nèi)）在內(nèi)的不少于5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。測量精度優(yōu)于0.1級和0.05級的壓力變送器應(yīng)不少于9 個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。

2）根據(jù)輸入壓力對壓力變送器輸出下限值和上限值進(jìn)行調(diào)整，使其與理論的下限值和上限值相一致，完成對壓力變送器“零點(diǎn)”和“滿量程”的校準(zhǔn)。

3）校準(zhǔn)前，把產(chǎn)品名稱、型號規(guī)格、測量范圍、準(zhǔn)確度、測量點(diǎn)數(shù)分別輸入到計(jì)算機(jī)的虛擬儀器測控軟件中，然后開始正式校準(zhǔn)。在計(jì)算機(jī)控制下，壓力控制器從測量下限開始自動等間隔加壓。當(dāng)壓力達(dá)到某個(gè)設(shè)定值并持續(xù)穩(wěn)定2 s 后，壓力控制器發(fā)出反饋信息給計(jì)算機(jī)，虛擬儀器軟件程序讀取被校準(zhǔn)壓力變送器的輸出電流值；對此數(shù)據(jù)進(jìn)行保存之后，計(jì)算機(jī)給壓力控制器發(fā)出指令，開始進(jìn)行下一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的測試。當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定的測量上限后，虛擬儀器軟件程序開始自動逐點(diǎn)減壓反行程測量，直至回到零點(diǎn)完成一個(gè)循環(huán)。

4）測試結(jié)束后由虛擬儀器軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出校準(zhǔn)結(jié)果，同時(shí)可由打印機(jī)打印出原始記錄及校準(zhǔn)證書。

2 虛擬儀器測控軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。LabVIEW 是一種圖形化的編程語言（又稱G 語言），是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受。作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，LabVIEW 集成了數(shù)據(jù)采集卡的硬件驅(qū)動和GPIB、VXI、RS-232 和RS-485 通信協(xié)議的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。使用LabVIEW 開發(fā)平臺編制的程序包括前面板、程序框圖及圖標(biāo)/連線板3 部分。

用于壓力變送器自動校準(zhǔn)的虛擬儀器測控軟件由壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置控制模塊、壓力變速器信息設(shè)置模塊、測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理模塊、校準(zhǔn)費(fèi)計(jì)算和參數(shù)登記本生成模塊這4 大模塊組成。

2.1 壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置控制模塊

該模塊通過計(jì)算機(jī)的串口來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)壓力裝置儀器的控制關(guān)系。首先編寫串口程序，使用標(biāo)準(zhǔn)壓力裝置的串口命令，保證計(jì)算機(jī)和儀器設(shè)備之間的通信；然后根據(jù)設(shè)定點(diǎn)數(shù)和壓力值，實(shí)現(xiàn)壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置正行程自動加壓和反行程自動卸壓。避免了手動搬運(yùn)砝碼來進(jìn)行加壓和減壓的過程，提高了工作效率。

2.2 壓力變送器信息設(shè)置模塊

該模塊主要是提示用戶輸入待校準(zhǔn)壓力變送器的校準(zhǔn)證書編號、型號規(guī)格、生產(chǎn)廠家、出廠編號、量程、精度、校準(zhǔn)日期和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的溫濕度，以及客戶名稱、地址和聯(lián)系方式。根據(jù)精度要求設(shè)定校準(zhǔn)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，根據(jù)量程設(shè)定測量范圍的上下限并選擇壓力校準(zhǔn)單位（Pa、kPa、bar、torr 等）。

2.3 測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理模塊

在該模塊中設(shè)計(jì)嵌入了數(shù)據(jù)處理的方法，計(jì)算機(jī)將根據(jù)輸入壓力變送器的參數(shù)自動計(jì)算出各校準(zhǔn)點(diǎn)的理論輸出值，輸入被校準(zhǔn)壓力變送器的檢定結(jié)果數(shù)值并和計(jì)算機(jī)計(jì)算出的各校準(zhǔn)點(diǎn)和理論輸出值進(jìn)行比較，依據(jù)JJG 882—2004《壓力變送器檢定規(guī)程》[4]，進(jìn)行示值誤差、回程誤差、誤差允許值的計(jì)算，在虛擬儀器前面板上顯示測量結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，然后自動生成校準(zhǔn)證書和原始記錄。減小了校準(zhǔn)人員在處理數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率，也提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

2.4 校準(zhǔn)費(fèi)計(jì)算和參數(shù)登記本生成模塊

在計(jì)量校準(zhǔn)的過程中，為了方便校準(zhǔn)費(fèi)用的及時(shí)統(tǒng)計(jì)和便于以后查找某壓力變送器的型號參數(shù)和校準(zhǔn)日期，編寫了此功能模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，給管理人員帶來方便。

3 校準(zhǔn)實(shí)例

以上海振太儀表有限公司生產(chǎn)的壓力變送器在實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)為例，測量的環(huán)境溫度為19.2 ℃、相對濕度為18%。此壓力變送器測量范圍為0～120 kPa，輸出電流范圍4～20 mA，精度為0.5 級，編號為4-2167。根據(jù)JJG 882—2004，為了保證型號測試的需要，我們選擇了6 個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

表1 壓力變送器校準(zhǔn)結(jié)果Table 1 Calibration result of the pressure transmitter

根據(jù)精度要求可以得到，示值誤差允許值為±(20.000-4.000)×0.5%= ±0.080 0 mA（表1中最大示值誤差0.033 mA），滿足檢定規(guī)程的要求；回程誤差允許值為±(20.000-4.000)×0.4%=±0.064 0 mA（表1中最大回程誤差0.000 mA），滿足檢定規(guī)程的要求，符合0.5 級[5]。

4 結(jié)束語

本文所述校準(zhǔn)裝置采用計(jì)算機(jī)及虛擬儀器測控軟件對壓力控制器和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了壓力變送器的自動校準(zhǔn)，提高了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的精度和可靠性，同時(shí)也縮短了填寫校準(zhǔn)證書和原始記錄的時(shí)間，提高了工作效率[6]。經(jīng)過反復(fù)大量的試驗(yàn)證明，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足航天器地面模擬試驗(yàn)中對壓力變送器校準(zhǔn)的要求。

（References）

[1]趙本義, 王欣, 趙棟波.航天發(fā)射場加注系統(tǒng)壓力傳 感器在線檢定方法[C]// 2003年導(dǎo)彈與航天器發(fā)射技術(shù)研討會

[2]王正德, 趙菲菲.工業(yè)用4/20 mA 兩線制變送器的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù), 2009(11)∶75-77 Wang Zhengde, Zhao Feifei.Design of industrial 4/20 mA two-wire transmitter[J].Instrumentation Technology.2009(11)∶75-77

[3]許屹暉, 樊玉富, 薛長生.壓力傳感器（靜態(tài)）自動校準(zhǔn)裝置[J].航天器環(huán)境工程, 2005, 22(3)∶175-176 Xu Yihui, Fan Yufu, Xue Changsheng.Pressure transducer (static) automatic calibration device[J].Spacecraft Environment Engineering, 2005, 22(3)∶175-176

[4]JJG 882 2004 壓力變送器檢定規(guī)程[S], 2004-06-04

[5]張慶吉.壓力變送器計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)[J].中國儀器儀表, 2008(7)∶66-68 Zhang Qingji.Pressure transducer measurement criteria[J].China Instrumentation, 2008(7)∶66-68

[6]蔣雪峰.壓力變送器智能檢定裝置的開發(fā)與應(yīng)用[J].計(jì)量技術(shù), 2003(11)∶44-45