茅曉晨

（上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 201203）

空盒氣壓表檢定設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)氣壓示值和溫度系數(shù)的自動(dòng)檢定，提高儀表檢定、校準(zhǔn)的工作效率以及操作準(zhǔn)確度，簡(jiǎn)化計(jì)量工作流程，降低工作強(qiáng)度。

1 空盒氣壓表檢定

1.1 動(dòng)作過(guò)程

壓力控制的動(dòng)作過(guò)程為：設(shè)備啟動(dòng)時(shí)真空泵、DT1高壓電磁閥、DT2低壓電磁閥都給電。泵的DT1高壓電磁閥用于給后端增加壓力，而DT2低壓電磁閥用于給后端減小壓力。需要注意的是，高壓和低壓兩側(cè)各有一個(gè)節(jié)流閥，分別用來(lái)調(diào)節(jié)正負(fù)氣壓流量的（規(guī)程要求5hPa/min），氣體流量的大小直接影響氣壓室的壓力值精度和穩(wěn)定性[1]。

圖1 示值檢定箱氣動(dòng)原理圖Fig.1 Aerodynamic schematic diagram of the display value verification box

1）當(dāng)箱內(nèi)氣壓＜檢定點(diǎn)氣壓時(shí)，真空泵對(duì)DT1高壓電磁閥加壓，當(dāng)箱內(nèi)氣壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定的高壓緩沖罐氣壓時(shí)（略高于檢定點(diǎn)），真空泵和DT1高壓電磁閥斷電，同時(shí)打開(kāi)DT3高壓穩(wěn)定閥，使得高壓緩沖罐和箱內(nèi)氣壓相通，以調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣壓。當(dāng)箱內(nèi)氣壓達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，使DT3高壓穩(wěn)定閥關(guān)閉，箱內(nèi)進(jìn)入保壓階段，達(dá)到一定時(shí)間后進(jìn)行電磁鐵敲擊，再進(jìn)行送檢空盒氣壓表讀數(shù)。

2）當(dāng)箱內(nèi)氣壓＞檢定點(diǎn)氣壓時(shí)，真空泵對(duì)DT2低壓電磁閥減壓；當(dāng)箱內(nèi)氣壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定的低壓緩沖罐氣壓時(shí)（略低于檢定點(diǎn)），真空泵和DT2低壓電磁閥斷電，同時(shí)打開(kāi)DT4低壓穩(wěn)定閥，使得低壓緩沖罐和箱內(nèi)氣壓相通，以調(diào)節(jié)箱內(nèi)氣壓。當(dāng)箱內(nèi)氣壓達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，使DT4低壓穩(wěn)定閥關(guān)閉，箱內(nèi)進(jìn)入保壓階段，達(dá)到一定時(shí)間后進(jìn)行電磁鐵敲擊，再進(jìn)行送檢空盒氣壓表讀數(shù)。

1.2 控制變量

根據(jù)圖1所示的檢定箱氣動(dòng)原理圖，可以整理歸納出要控制的節(jié)點(diǎn)類型[2]。

DO1：真空泵繼電器

DO2：DT1高壓閥繼電器

DO3：DT2低壓閥繼電器

DO4：DT3高壓穩(wěn)定閥繼電器

DO5：DT4低壓穩(wěn)定閥繼電器

DO6：電磁鐵繼電器（手動(dòng)）

圖2 檢定系統(tǒng)軟件界面圖Fig.2 Software interface diagram of verification system

AI1：高壓緩沖罐壓力傳感器

AI2：低壓緩沖罐壓力傳感器

AI3：氣壓箱壓力傳感器

AI4：氣壓箱溫度傳感器

AI5：氣壓標(biāo)準(zhǔn)器（mA或者232輸出）

檢定設(shè)備可對(duì)3種氣壓儀器進(jìn)行檢定：

1）空盒氣壓表，包括平原空盒表（800 hPa～1050hPa）檢定點(diǎn)依次為：1050、1010、960、910、860、810、800、810、860、910、960、1010、1050，共13個(gè)檢定點(diǎn)。高原空盒表（500hPa～1050hPa），檢定點(diǎn)依次為：1050、1010、960、910、860、810、760、710、660、610、560、510、500、510、560、610、660、710、760、810、860、910、960、1010、1050，共25個(gè)檢定點(diǎn)。

2）空盒氣壓計(jì)，檢定過(guò)程同樣是高壓至低壓再至高壓（900hPa～1050hPa），檢定點(diǎn)依次為：1050、1010、960、900、960、1010、1050，共7個(gè)檢定點(diǎn)。

3）振筒類氣壓儀，檢定裝置預(yù)留了多個(gè)機(jī)械分支口與氣壓箱相通以放便檢定連接。

因此，控制系統(tǒng)與檢定點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變量表包括：m總檢定點(diǎn)數(shù)、n換向點(diǎn)數(shù)、P[m]逐個(gè)檢定點(diǎn)氣壓值。由于被檢氣壓表沒(méi)有電信號(hào)接口，需要人工輸入各個(gè)被檢表的示值。

1.3 溫度系數(shù)

空盒氣壓表附屬溫度表標(biāo)度范圍為-11.0℃～41.0℃，最大允許誤差為±1.0℃。溫度系數(shù)Kt用公式求出：

Kt=（?P1-?P2）/（t1-t2）（hPa/℃，取兩位小數(shù)）

圖3 開(kāi)環(huán)控制圖Fig.3 Open-loop control chart

圖4 閉環(huán)控制圖Fig.4 Closed-loop control chart

圖5 控制過(guò)程圖Fig.5 Control process diagram

式中：?P1在高溫點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)氣壓值和空盒氣壓表、空盒氣壓計(jì)氣壓示值的氣壓差值，hPa；?P2在高溫點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)氣壓值和空盒氣壓表、空盒氣壓計(jì)氣壓示值的氣壓差值，hPa；t1高溫點(diǎn)的溫度值，℃；t2低溫點(diǎn)的溫度值，℃。具體溫度系數(shù)的數(shù)值要求范圍見(jiàn)《JJG272-2007空盒氣壓表和空盒氣壓計(jì)檢定規(guī)程》表1中的內(nèi)容[3,4]。

圖6 寄存器設(shè)置圖Fig.6 Register setup diagram

2 PID控制原理

PID控制包括定位點(diǎn)設(shè)置、偏差計(jì)算、比例控制、積分控制和微分控制。PID控制算法包括IND和ISA兩種方式：

dt是測(cè)量時(shí)間，Derivative是導(dǎo)數(shù)值，可以為（當(dāng)前誤差-以前誤差）/dt，也可以配置為（當(dāng)前測(cè)量值-以前測(cè)量值）/dt，Ti是積分時(shí)間，Td是微分時(shí)間。K是按PVstep/Cvstep計(jì)算開(kāi)環(huán)增益。Kp是比例增益，最終反饋給系統(tǒng)的錯(cuò)誤值的數(shù)量。Ki是積分增益，時(shí)間越快，積分部分的增益就越大。Kd是導(dǎo)數(shù)增益，表示有多少變化率反饋給系統(tǒng)。SP是設(shè)定點(diǎn)，為需要達(dá)到和維護(hù)的值。PV是過(guò)程變量，為過(guò)程的測(cè)量輸出的壓力值。CV是控制變量，將PID函數(shù)應(yīng)用于控制過(guò)程的結(jié)果，而這個(gè)值包含比例、積分、微分和偏置的分量[5]。

IND方式采用標(biāo)準(zhǔn)PID算法，調(diào)節(jié)效果更精確，適用于專家級(jí)或精度要求嚴(yán)格的項(xiàng)目。而ISA方式調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、快速，但精度效果一般，適用于初級(jí)應(yīng)用或精度要求一般的項(xiàng)目。在一些典型的工業(yè)過(guò)程控制中，往往需要控制一個(gè)過(guò)程參數(shù)，如溫度或壓力值，可以應(yīng)用開(kāi)環(huán)控制。

圖7 PID功能模塊調(diào)用梯形圖Fig.7 PID Function module call trapezoidal diagram

在這樣的系統(tǒng)中，控制器接收來(lái)自用戶的設(shè)定值。然后控制器生成一個(gè)值再發(fā)送，稱為控制變量。而所需的參數(shù)是流程變量，它根據(jù)流程控制器發(fā)送的值進(jìn)行更改。流程控制器無(wú)法確定流程是否實(shí)際生成了正確的流程變量[6]。

在要求響應(yīng)速度的許多情況下，這就足夠了。但這些假設(shè)往往是不正確或不準(zhǔn)確的。大多數(shù)過(guò)程控制系統(tǒng)使用閉環(huán)反饋，也做閉環(huán)系統(tǒng)。動(dòng)作的控制器稱為比例控制器。實(shí)際上，誤差實(shí)際上是全范圍誤差的一部分（通常用百分比表示）?？刂七^(guò)程需要更長(zhǎng)的時(shí)間，但是完全控制更準(zhǔn)確。圖5僅為比例控制下的典型過(guò)程。

PID功能塊地址、期望值寄存器地址、過(guò)程值寄存器地址、控制值寄存器地址、手動(dòng)控制寄存器地址、手動(dòng)上升寄存器地址、調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)、自學(xué)習(xí)功能選項(xiàng)、手動(dòng)下降寄存器地址。

3 結(jié)論

研究了空盒氣壓表氣壓示值誤差和溫度系數(shù)的檢定過(guò)程，依據(jù)示值檢定箱執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)工作原理，整理出控制方案，空盒氣壓表檢定設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)氣壓示值和溫度系數(shù)的自動(dòng)檢定，提高了儀表檢定/校準(zhǔn)的工作效率。