鄧紅艷，朱 斌

（中國(guó)工程物理研究院計(jì)量測(cè)試中心，四川 綿陽(yáng) 621900）

0 引 言

壓力傳感器廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、航空、航天等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，越來(lái)越多的使用單位提出了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試壓力傳感器的需求[1]。目前，實(shí)驗(yàn)室對(duì)壓力傳感器的測(cè)試和校準(zhǔn)仍采用傳統(tǒng)的檢定方法，即用氣體（液體）活塞式壓力計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)源，將壓力值溯源到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?；钊綒怏w（液體）壓力計(jì)，由于其體積大、質(zhì)量大（壓力計(jì)和砝碼都很重）、不便于攜帶，因此僅限于實(shí)驗(yàn)室使用而無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

隨著傳感技術(shù)的高度發(fā)展及計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨成熟，使得實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化檢定成為可能[2]。采用北京康斯特儀表科技有限公司生產(chǎn)的CST2005智能數(shù)字壓力校驗(yàn)儀和智能數(shù)字壓力模塊組成智能數(shù)字壓力校驗(yàn)系統(tǒng)（準(zhǔn)確度為0.05級(jí)），取代二等標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)（準(zhǔn)確度為0.05級(jí)）。并利用數(shù)字壓力校驗(yàn)儀的RS232接口和數(shù)字繁用表的GPIB接口分別與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，組建一套現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器檢定數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理[3]以及原始記錄、檢定證書(shū)（或檢定結(jié)果通知書(shū)）的自動(dòng)生成和打印等功能。

1 壓力傳感器現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 檢定系統(tǒng)原理

壓力傳感器現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢定系統(tǒng)的硬件主要由便攜式壓力發(fā)生器、智能數(shù)字壓力校驗(yàn)系統(tǒng)、穩(wěn)壓電源、數(shù)字繁用表、筆記本電腦、打印機(jī)、GPIB-USB和RS232-USB通信電纜數(shù)據(jù)線組成。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[4]。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.2 檢定系統(tǒng)主要硬件的選型分析和組合方案設(shè)計(jì)

1.2.1 選擇便于現(xiàn)場(chǎng)檢定的便攜式壓力發(fā)生器

由于壓力傳感器的使用介質(zhì)和環(huán)境不同，故選用體積小、質(zhì)量小、密封性好、便于攜帶的如下壓力發(fā)生器：壓力范圍為－0.098～10MPa的CST1002B臺(tái)式氣壓壓力泵，其傳壓介質(zhì)為空氣（檢定氣體介質(zhì)的壓力傳感器）；壓力范圍為0～60MPa的CST1004和1～250MPa的CST1005C高壓液體壓力泵，其傳壓介質(zhì)均為油（檢定油介質(zhì)的壓力傳感器）。

1.2.2 智能數(shù)字壓力校驗(yàn)系統(tǒng)的選擇

智能數(shù)字壓力校驗(yàn)系統(tǒng)由智能數(shù)字壓力模塊和智能數(shù)字壓力校驗(yàn)儀2部分組成。

（1）智能數(shù)字壓力模塊的選型

1）首先確定被檢壓力傳感器最大壓力量程Pmax，最小壓力量程Pmin，被檢壓力傳感器準(zhǔn)確度Δ被檢、壓力模塊準(zhǔn)確度Δ標(biāo)準(zhǔn)。

2）計(jì)算量程覆蓋倍數(shù)n為

3）模塊量程選擇為：第1只模塊為Pmax、第2只模塊為Pmax/n、第3只模塊為Pmax/n2、第x只模塊為Pmax/nx-1，直到覆蓋被檢壓力傳感器最小量程Pmin。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室歷年檢定壓力傳感器的統(tǒng)計(jì)，絕大部分被檢傳感器的量程都在100MPa（含100MPa）以下，故選擇了如下量程的壓力模塊：0～100 MPa、0～60MPa、0～30MPa、0～16MPa、0～10MPa、0～6MPa、0～4 MPa、0～2 MPa、0～1 MPa、-100～0 kPa。利用以上壓力模塊作為標(biāo)準(zhǔn)器即可檢定測(cè)量上限≤100MPa、準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)（包含0.2級(jí)）以下的壓力傳感器。

（2）智能數(shù)字壓力校驗(yàn)儀的選擇

選用體積小、質(zhì)量小、受環(huán)境影響小、便于攜帶的CST2005智能數(shù)字壓力校驗(yàn)儀作為標(biāo)準(zhǔn)器的顯示設(shè)備，它可以同時(shí)顯示壓力測(cè)量值、電壓輸出（測(cè)量）值、電流輸出（測(cè)量）值、參考環(huán)境溫度、日期、時(shí)間以及以秒作單位的倒計(jì)時(shí)（壓力檢漏用）?？梢耘渲萌我舛嗟闹悄軘?shù)字壓力模塊，具有RS232接口，所有鍵盤(pán)功能都可以通過(guò)串口指令完成，開(kāi)放的通信規(guī)約，可以完成現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器的自動(dòng)檢定。

1.2.3 硬件組合方案設(shè)計(jì)

（1）由CST1002B臺(tái)式氣壓壓力泵，量程為-100～0 kPa、0～10 MPa的智能數(shù)字壓力模塊，CST2005 智能數(shù)字壓力校驗(yàn)儀，穩(wěn)壓電源，數(shù)字繁用表，筆記本電腦，打印機(jī)等組成的檢定系統(tǒng)可以檢測(cè)－0.098～10MPa的氣體壓力傳感器。

（2）由CST1004和CST1005C高壓液體壓力泵，0～100MPa、0～60MPa、0～30MPa、0～16MPa、0～10MPa、0～6MPa、0～4 MPa、0～2 MPa、0～1 MPa 智能數(shù)字壓力模塊，CST2005智能數(shù)字壓力校驗(yàn)儀，穩(wěn)壓電源，數(shù)字繁用表，筆記本電腦，打印機(jī)等組成的檢定系統(tǒng)可以檢測(cè)0～100MPa的液體壓力傳感器。

1.3 檢定系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

智能數(shù)字壓力校驗(yàn)系統(tǒng)（標(biāo)準(zhǔn)器）的準(zhǔn)確度為0.05級(jí)（包括年穩(wěn)定性和遲滯）；CST1002B、CST1004和CST1005C 3臺(tái)壓力發(fā)生器均做了密封性試驗(yàn)，符合國(guó)家檢定規(guī)程對(duì)密封性試驗(yàn)的要求；數(shù)字繁用表電流/電壓的測(cè)量準(zhǔn)確度為0.02%讀數(shù)。因此，該檢定系統(tǒng)可用于檢定0.2級(jí)（包含0.2級(jí)）以下，測(cè)量范圍分別為－0.098～10MPa的氣體壓力傳感器和0～100MPa的油介質(zhì)壓力傳感器。

1.4 檢定系統(tǒng)軟件的研究與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用美國(guó)NI公司的LabVIEW8.6作為軟件開(kāi)發(fā)工具。系統(tǒng)軟件主要包括設(shè)備及信息數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、誤差計(jì)算、檢定有效期的自動(dòng)計(jì)算以及檢定證書(shū)、檢定結(jié)果通知書(shū)、原始記錄自動(dòng)生成等功能模塊[5]。利用智能數(shù)字壓力校驗(yàn)儀的外圍數(shù)據(jù)接口（RS232接口）和數(shù)字繁用表的外圍數(shù)據(jù)接口（GPIB接口），配置RS232-USB和GPIB-USB接口線分別與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信[6]，并編制自動(dòng)測(cè)量和校準(zhǔn)程序。該程序可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、自動(dòng)生成表格、自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)修約、自動(dòng)進(jìn)行誤差計(jì)算、檢定數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)、打印等（可打印檢定原始記錄、檢定證書(shū)及檢定結(jié)果通知書(shū)），從而省去了手工記錄及重復(fù)而繁雜的計(jì)算勞動(dòng)，檢測(cè)效率大大提高，而且避免了人為誤差。該自動(dòng)化檢定程序現(xiàn)已進(jìn)行有效性驗(yàn)證，驗(yàn)證有效，可以使用。其N-S結(jié)構(gòu)化流程圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化檢定程序N-S結(jié)構(gòu)化流程圖

2 壓力傳感器現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢定方法和過(guò)程

（1）按照?qǐng)D1所示做好壓力發(fā)生器、智能數(shù)字壓力校驗(yàn)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和配套儀表之間的連接。根據(jù)被檢壓力傳感器的量程選擇合適的壓力模塊，將壓力模塊引壓口接到壓力發(fā)生器上，連接好，不能泄露；將壓力模塊的電信號(hào)連接端接到CST2005的壓力模塊接口上。

（2）將CST2005智能數(shù)字壓力校驗(yàn)儀的RS232接口和數(shù)字繁用表的GPIB接口通過(guò)RS232-USB和GPIB-USB數(shù)據(jù)線分別與計(jì)算機(jī)的USB接口連接起來(lái)。

（3）在檢定系統(tǒng)的主界面中有一個(gè)選項(xiàng)卡控件，上面有5張卡片，分別是檢定環(huán)境及配套儀器信息、壓力標(biāo)準(zhǔn)器信息、客戶及被檢傳感器信息、通信及待測(cè)壓力點(diǎn)信息、壓力傳感器實(shí)際測(cè)量值信息。以下拉菜單方式直接選擇（輸入控件中有此信息）或鍵盤(pán)輸入（輸入控件中沒(méi)有此信息）相關(guān)信息，然后點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，開(kāi)始?jí)毫鞲衅鞯淖詣?dòng)化檢定。

（4）正行程壓力檢定[7]。首先從測(cè)量下限（或零點(diǎn)）開(kāi)始，自動(dòng)判斷計(jì)算機(jī)采集到的CST2005值是否等于壓力傳感器選取的第1個(gè)待檢壓力值。一旦相等，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)字繁用表的當(dāng)前值；若不相等，計(jì)算機(jī)將一直判斷，直到相等為止。按規(guī)定選取的檢定點(diǎn)逐點(diǎn)平穩(wěn)地升高壓力至壓力傳感器的測(cè)量上限值，依次自動(dòng)采集各檢定點(diǎn)正行程輸出值。

（5）反行程壓力檢定[7]。正行程壓力檢定完成后，開(kāi)始做反行程壓力檢定，從測(cè)量上限處開(kāi)始，自動(dòng)判斷計(jì)算機(jī)采集到的CST2005的值是否等于壓力傳感器選取的的最后1個(gè)待檢壓力值。一旦相等，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)字繁用表的當(dāng)前值；若不相等，計(jì)算機(jī)將一直判斷，直到相等為止。再逐點(diǎn)平穩(wěn)地降壓至測(cè)量下限，依次自動(dòng)采集各檢定點(diǎn)的反行程輸出值。

（6）按照以上正、反行程檢定方法，根據(jù)傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)進(jìn)行n次循環(huán)檢定，依次自動(dòng)采集各檢定點(diǎn)的輸出值。測(cè)試軟件隨即自動(dòng)處理采集的數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成檢定原始記錄、檢定證書(shū)（或檢定結(jié)果通知書(shū)），檢定完畢。

3 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用數(shù)字化高準(zhǔn)確度的壓力測(cè)量?jī)x器和計(jì)算機(jī)程控技術(shù)組建的壓力傳感器現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢定系統(tǒng)，是一項(xiàng)提高壓力計(jì)量測(cè)試技術(shù)水平的工作，它的建立標(biāo)志單位具備了現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器自動(dòng)化檢定的能力。

用該自動(dòng)檢定系統(tǒng)代替過(guò)去用二等標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)以“稱重法”手工檢定的技術(shù)，減輕了檢定人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了壓力傳感器的檢測(cè)效率和檢測(cè)質(zhì)量。目前，該壓力傳感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)已運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)室的日常檢定中，對(duì)該自動(dòng)檢定系統(tǒng)與傳統(tǒng)的手工檢定進(jìn)行了比較，工作效率至少提高了2倍。

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