江思杰，程照明，李建剛

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北 430079）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的快速發(fā)展，國(guó)防科技、航空航天、電子信息化、電力工程等領(lǐng)域的新興產(chǎn)品如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)。在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)的同時(shí)，確保其在貯存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中的性能、可靠性與安全性是非常必要的。因此，需要通過(guò)系統(tǒng)化的環(huán)境試驗(yàn)來(lái)模擬產(chǎn)品貯存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中的實(shí)際環(huán)境，利用檢測(cè)結(jié)果判斷其性能優(yōu)劣，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

本文主要研究基于離線(xiàn)采集模式的高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)技術(shù)，將采集電路密封于特殊材質(zhì)的罐體中，引出高精度溫度、壓力傳感器實(shí)現(xiàn)箱體內(nèi)部數(shù)據(jù)的采集，并完成高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)系統(tǒng)正樣，服務(wù)于環(huán)境試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)中心的科研任務(wù)。此試驗(yàn)箱是設(shè)計(jì)驗(yàn)證和建設(shè)急需的高端設(shè)備。

1 技術(shù)難點(diǎn)

眾所周知，校準(zhǔn)是體現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)是否滿(mǎn)足要求、測(cè)量參數(shù)是否可信的重要依據(jù)，傳統(tǒng)高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)方案由于諸多問(wèn)題，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性受到質(zhì)疑。

從多年從事環(huán)境試驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，許多客戶(hù)為了確保高低溫低氣壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)有效，通常會(huì)要求檢定人員在測(cè)試前對(duì)高低溫低氣壓試驗(yàn)箱進(jìn)行校準(zhǔn)。然而在觀看傳統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程后均對(duì)其校準(zhǔn)方式頗有微詞，甚至對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果提出質(zhì)疑。傳統(tǒng)校準(zhǔn)方案如圖1所示，其核心思路是利用高低溫低氣壓試驗(yàn)箱的外置管口連接壓力表、溫度表，通過(guò)記錄不同條件下箱內(nèi)溫度與壓力值來(lái)計(jì)算不確定度，從而判斷其是否滿(mǎn)足要求。

傳統(tǒng)氣壓檢定的校準(zhǔn)依據(jù)為JJG 875-2005，通過(guò)壓力表直接讀取不同氣壓條件下的壓力值并計(jì)算測(cè)量不確定度的方式實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)檢定裝置逐漸被數(shù)字壓力校驗(yàn)儀所取代；傳統(tǒng)溫度檢定的校準(zhǔn)依據(jù)為JJF 1101-2003以及GB 5170.2-2008，測(cè)量?jī)x器主要采用鉑電阻、熱電偶或其他類(lèi)似的溫感元件以及二次儀表組成的測(cè)溫系統(tǒng)，通過(guò)在箱內(nèi)指定位置布點(diǎn)的方式采集不同溫度條件下箱內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出每個(gè)溫度點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度。

傳統(tǒng)高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)所存在的問(wèn)題主要包括以下幾個(gè)方面：

1）由于高低溫低氣壓試驗(yàn)箱內(nèi)完全密封，無(wú)法建立箱內(nèi)與箱外的有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)通信，導(dǎo)致直接放置小型溫度、壓力傳感器到箱內(nèi)利用數(shù)據(jù)線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)，此外，能夠同時(shí)滿(mǎn)足高低溫低氣壓試驗(yàn)箱技術(shù)指標(biāo)（溫度：-40～200℃，壓力：0～500Pa）的溫度或壓力傳感器非常少見(jiàn)，使得校準(zhǔn)方案實(shí)施起來(lái)比較困難；

2）試驗(yàn)箱外雖配備外部接口只有一個(gè)，無(wú)法同時(shí)利用溫度表、壓力表進(jìn)行校準(zhǔn)，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)法一一對(duì)應(yīng)，影響計(jì)算精度，且極大的增加了設(shè)備校準(zhǔn)所需的時(shí)間；

圖1 傳統(tǒng)高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)方案

3）利用壓力智能數(shù)字表雖可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整記錄，但由于箱內(nèi)與箱外的測(cè)試環(huán)境截然不同，且利用箱外接口測(cè)得的數(shù)據(jù)本身的有效性就值得懷疑；

4）校準(zhǔn)時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)需人工記錄，不僅增大了檢定人員工作量，而且提高了由于人為因素造成的誤差。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)大量的試驗(yàn)研究提出了一種基于離線(xiàn)采集模式的高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)方案，實(shí)現(xiàn)高低溫低氣壓試驗(yàn)箱自動(dòng)精確校準(zhǔn)。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，采用密封罐體結(jié)構(gòu)，利用電池為傳感器及芯片供電，采用離線(xiàn)數(shù)據(jù)采集形式，系統(tǒng)硬件部分主要包括溫度、壓力綜合數(shù)據(jù)采集電路、溫度傳感器、壓力傳感器、存儲(chǔ)卡與電池。

高低溫低氣壓試驗(yàn)箱在進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)時(shí)，腔內(nèi)溫度與壓力變化較大，普通電子器件無(wú)法承受，因此，想要實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)真實(shí)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，就必須通過(guò)密封罐體將采集電路、存儲(chǔ)卡等器件保護(hù)起來(lái)。本系統(tǒng)中，罐體采用無(wú)釋氣TPFE橡膠材料作為密封墊，有效保護(hù)敏感電路，通過(guò)引出的溫度、壓力傳感器來(lái)采集腔內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

在環(huán)境試驗(yàn)中，試驗(yàn)箱內(nèi)的壓力最低可達(dá)到0.5KPa，對(duì)于壓力傳感器的選擇至關(guān)重要。本系統(tǒng)采用性能優(yōu)秀的陶瓷電容壓力傳感器，其壓力測(cè)量范圍為-100KPa～0～0.5KPa…100MPa，很好地滿(mǎn)足了試驗(yàn)箱的性能指標(biāo)。由于高低溫低氣壓試驗(yàn)箱運(yùn)行過(guò)程中，腔內(nèi)處于全密封狀態(tài)，壓力傳感器無(wú)法通過(guò)排氣管與外部大氣形成對(duì)比，因此，壓力類(lèi)型采用絕壓式。陶瓷電容壓力傳感器擁有較高的測(cè)量精度，最高可達(dá)±0.1%。

圖2 基于離線(xiàn)采集模式的高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

溫度傳感器的發(fā)展應(yīng)用已非常廣泛，本系統(tǒng)采用穩(wěn)定性較高的PT100鉑電阻。眾所周知，鉑電阻相對(duì)于其他溫度傳感器，其測(cè)量精度要高很多，在計(jì)量檢測(cè)領(lǐng)域，一般都是以鉑電阻作為標(biāo)準(zhǔn)溫度測(cè)量元件。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻可以用一種嚴(yán)密、合理的方程來(lái)描述其電阻值與溫度的關(guān)系。鉑電阻的線(xiàn)性較好，只是在接近其范圍極限時(shí)呈非線(xiàn)性。鉑電阻每攝氏度可以改變幾分之一歐姆，測(cè)量范圍可達(dá)到-60～180℃，最小分辨率高達(dá)0.01，漂移量小于0.04℃/yr，極大地滿(mǎn)足了系統(tǒng)測(cè)試要求。

高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)完畢后，打開(kāi)箱門(mén)，將校準(zhǔn)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)卡取出，利用計(jì)算機(jī)軟件讀取采集數(shù)據(jù)，并形成表格與時(shí)間曲線(xiàn)圖。

隨著國(guó)防工業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)品的環(huán)境與可靠性試驗(yàn)任務(wù)劇增，CEEC-WQ-1000高低溫低氣壓試驗(yàn)箱在本中心的科研生產(chǎn)與檢測(cè)任務(wù)中起到了至關(guān)重要的作用，對(duì)于高低溫低氣壓試驗(yàn)箱的校準(zhǔn)技術(shù)研究能夠?yàn)楸局行牡哪芰ㄔO(shè)提供有利條件：

1）解決了長(zhǎng)久以來(lái)一直困擾的高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)問(wèn)題，降低了校準(zhǔn)所需時(shí)間，提高了設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性；

2）可與被檢設(shè)備一同置于箱內(nèi)，為客戶(hù)提供被測(cè)設(shè)備指定區(qū)域的實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)仿真模型，便于找出與解決試驗(yàn)中所碰到的問(wèn)題；

3）研究了氣壓與溫度之間的相互影響，推動(dòng)了高低溫氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)規(guī)范的發(fā)展；

4）為本中心技術(shù)積累創(chuàng)造有力條件，開(kāi)拓技術(shù)研究方向。

3 系統(tǒng)算法處理

本系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，將LabVIEW2011作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用VISA2011驅(qū)動(dòng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)LR5092-20數(shù)據(jù)采集器的動(dòng)態(tài)讀取，并結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)高低溫低氣壓試驗(yàn)箱檢定信息存儲(chǔ)與報(bào)告格式預(yù)處理，最后調(diào)用MATLAB進(jìn)行參數(shù)計(jì)算與不確定的算法處理。

3.1 溫度參數(shù)計(jì)算

PT100是市面上較為常見(jiàn)的鉑電阻類(lèi)溫度傳感器，通常情況下，技術(shù)人員根據(jù)采集到的電阻值，通過(guò)查詢(xún)JB/T 8622-1997《工業(yè)鉑熱電阻技術(shù)條件及分度表》，即可得到相應(yīng)的溫度值。然而，隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，利用MATLAB來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度值的快速計(jì)算更加滿(mǎn)足自動(dòng)化設(shè)備的需求。

高低溫低氣壓試驗(yàn)箱的溫度范圍為-40～200℃，根據(jù)檢定規(guī)程，將檢定溫度范圍分為-40～0℃與0～200℃。

當(dāng)溫度范圍在-40～0℃時(shí)，鉑電阻——溫度關(guān)系式為：

當(dāng)溫度范圍在0～200℃時(shí)，鉑電阻——溫度關(guān)系式為：

其中：

當(dāng)高低溫低氣壓試驗(yàn)箱在進(jìn)行升降溫試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集腔內(nèi)溫度所對(duì)應(yīng)的電阻值，之后通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)用MATLAB繪制出腔內(nèi)的溫度變化曲線(xiàn)，便于技術(shù)人員更好地改善測(cè)試方案。

3.2 壓力參數(shù)計(jì)算

陶瓷電容式壓力傳感器擁有極高的穩(wěn)定性與強(qiáng)大的抗干擾能力，作為線(xiàn)性壓力傳感器，其壓力變化系數(shù)是一個(gè)固定參量：

其中Vmax、V0分別為已知壓力Pmax、P0下所測(cè)出的電壓值，這些參數(shù)均由器件廠(chǎng)家提供。

之后，將公式（3）代入到壓力換算公式（4）中即可得到當(dāng)前狀態(tài)下腔內(nèi)的壓力值。

3.3 測(cè)量不確定度計(jì)算

高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度計(jì)算完全按照國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF 1059.1-2012來(lái)執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)在JJF 1059-1999的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修訂，增加了常規(guī)計(jì)量中可預(yù)先評(píng)估重復(fù)性的條款，且在合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定中增加了各輸入量間相關(guān)時(shí)協(xié)方差與相關(guān)系數(shù)的估計(jì)方法，弱化了給出自由度的要求。

此外，本系統(tǒng)還根據(jù)JJF 1059.2-2012引入了蒙特卡洛算法，此算法的核心內(nèi)容是在建立測(cè)量模型的基礎(chǔ)上采用MCM進(jìn)行概率分布傳播，由于數(shù)表檢定中不涉及非正態(tài)分布函數(shù)，因此本系統(tǒng)的不確定度算法主要依據(jù)JJF 1059.1-2012來(lái)執(zhí)行。

在單個(gè)檢定項(xiàng)目完成之后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，當(dāng)所有項(xiàng)目檢定完畢時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用MatLab算法模塊對(duì)之前的檢定結(jié)果進(jìn)行不確定度計(jì)算，如表1所示。

3.3.1 A類(lèi)不確定度計(jì)算

高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)系統(tǒng)在測(cè)試溫度、壓力參數(shù)時(shí)，存在重復(fù)性誤差，根據(jù)檢定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)測(cè)得的溫度、壓力參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立重復(fù)觀測(cè)，通過(guò)所得到的一系列觀測(cè)值，用統(tǒng)計(jì)分析方法獲得試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s(x)，以算術(shù)平均值作為被測(cè)量估計(jì)值[7]，其公式為：

本系統(tǒng)利用貝塞爾公式法進(jìn)行A類(lèi)不確定度測(cè)試：

其中xi為測(cè)量值，x為標(biāo)準(zhǔn)值，n為獨(dú)立測(cè)量次數(shù)。

通過(guò)調(diào)用Matlab公式節(jié)點(diǎn)可精確快速地計(jì)算出每個(gè)檢定項(xiàng)目所產(chǎn)生的A類(lèi)不確定度。

表1 不確定度來(lái)源

3.3.2 B類(lèi)不確定度計(jì)算

B類(lèi)評(píng)定的方法是根據(jù)有關(guān)的信息或經(jīng)驗(yàn)，判斷被測(cè)量的可能值區(qū)間假設(shè)被測(cè)量值的概率分布，根據(jù)概率分布和要求的概率p確定k，則B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB可由公式（3）得到：

其中a為被測(cè)量可能值區(qū)間的半寬度，k為包含因子。

在進(jìn)行高低溫低氣壓試驗(yàn)箱分辨力所引起的不確定分量計(jì)算時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)箱技術(shù)說(shuō)明書(shū)可知，半寬度其不確定度分量的計(jì)算公式為：

3.3.3 不確定度合成

以上三個(gè)不確定度分量互不相關(guān)，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算公式為：

4 系統(tǒng)實(shí)施方案

系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖3所示。檢定人員首先啟動(dòng)檢定系統(tǒng)，在開(kāi)始進(jìn)行高低溫低氣壓試驗(yàn)箱檢定之前，檢定人員需確認(rèn)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)置于高低溫低氣壓試驗(yàn)箱的中間位置。之后，啟動(dòng)CEEC-WQ-1000，按檢定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定溫度與壓力值，如表2所示。

此時(shí)，高低溫低氣壓試驗(yàn)箱腔內(nèi)的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)通過(guò)溫度與壓力傳感器將溫度與壓力數(shù)據(jù)分別以電阻與電壓信號(hào)形式傳遞到信號(hào)放大模塊中，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)至SD卡中。

表2 溫度壓力設(shè)定表

校準(zhǔn)完畢后，取出實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的SD卡放置于與計(jì)算機(jī)連接的讀取器中，檢定系統(tǒng)應(yīng)用軟件自動(dòng)讀取本次校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在設(shè)置檢定報(bào)告格式的同時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)算法處理模塊換算后得到溫度與壓力測(cè)試數(shù)據(jù)，并計(jì)算出測(cè)量不確定度，最終輸出檢定報(bào)告，系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖3所示。

5 驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果分析

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

圖4 高低溫低氣壓試驗(yàn)箱自動(dòng)檢定系統(tǒng)操作界面

本次驗(yàn)證試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用克萊美特公司生產(chǎn)的高低溫低氣壓試驗(yàn)箱CEEC-WQ-1000，高低溫低氣壓試驗(yàn)箱檢定系統(tǒng)的操作界面如圖4所示，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的摸索與實(shí)踐后，離線(xiàn)采集模式的高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢，并于去年在本中心環(huán)境與可靠性實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。

首先進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)系統(tǒng)放置到箱內(nèi)指定位置，在常壓條件下，操作CEEC-WQ-1000將溫度依次設(shè)置為-65℃、-55 ℃、25.8℃、80 ℃、150 ℃，為避免記錄過(guò)多的非指定溫度數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)系統(tǒng)的記錄時(shí)間間隔設(shè)置為1分鐘。每個(gè)溫度點(diǎn)的停留時(shí)間為10分鐘左右，保證每個(gè)溫度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)采樣數(shù)據(jù)為10個(gè)，用于溫度數(shù)據(jù)重復(fù)性計(jì)算。

然后進(jìn)行壓力校準(zhǔn)，在常溫條件下，操作CEECWQ-1000將壓力依次設(shè)置為97.1kPa、55.8kPa、30.7kPa、21.0kPa、10.3kPa，每個(gè)壓力點(diǎn)停留5分鐘左右，用于壓力參數(shù)平均值計(jì)算。

CEEC-WQ-1000校準(zhǔn)操作流程完畢后，取出SD卡放置與讀卡器中，計(jì)算機(jī)上的校準(zhǔn)應(yīng)用軟件將會(huì)自動(dòng)讀取并篩選出溫度值為-65℃、-55℃、常溫、80℃、150℃的相應(yīng)參數(shù)以及常溫下壓力值為97.1kPa、55.8kPa、30.7kPa、21.0kPa、10.3kPa的相應(yīng)參數(shù)并計(jì)算平均值，最后求解測(cè)量不確定度。由于溫度參數(shù)較多，僅給出壓力測(cè)量結(jié)果如表3所示。

通過(guò)表3的驗(yàn)證結(jié)果可知，基于離線(xiàn)采集模式的高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)系統(tǒng)攻克了長(zhǎng)久以來(lái)未能解決的技術(shù)難點(diǎn)，提高了高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)技術(shù)的可靠性，在效率與計(jì)算精度上遠(yuǎn)高于人工測(cè)量，為本中心的能力建設(shè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。

表3 壓力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)/結(jié)果

6 總結(jié)

本文分析了傳統(tǒng)高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)方案的不足之處，闡述了新型的高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)研究的技術(shù)難點(diǎn)與可行性方案，設(shè)計(jì)出了一種基于離線(xiàn)采集模式的高低溫低氣壓試驗(yàn)箱校準(zhǔn)系統(tǒng)，并通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性，滿(mǎn)足本中心的技術(shù)指標(biāo)要求，極大地提高了本中心的工作效率與影響力，為后續(xù)的規(guī)范化建設(shè)打下了夯實(shí)的基礎(chǔ)。

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