鄧紅艷，朱 斌

（中國工程物理研究院計(jì)量測試中心，四川 綿陽 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、航天等各個學(xué)科領(lǐng)域，越來越多的使用單位提出了現(xiàn)場測試壓力傳感器的需求[1]。目前，實(shí)驗(yàn)室對壓力傳感器的測試和校準(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)室使用而無法進(jìn)行現(xiàn)場測試。

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)場自動化檢定成為可能[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），取代二等標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)（準(zhǔn)確度為0.05級）。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)場壓力傳感器自動檢定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器檢定數(shù)據(jù)的自動采集、數(shù)據(jù)自動處理[3]以及原始記錄、檢定證書（或檢定結(jié)果通知書）的自動生成和打印等功能。

1 壓力傳感器現(xiàn)場自動檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 檢定系統(tǒng)原理

壓力傳感器現(xiàn)場自動檢定系統(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。

通過對實(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)器即可檢定測量上限≤100MPa、準(zhǔn)確度等級為0.2級（包含0.2級）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，它可以同時顯示壓力測量值、電壓輸出（測量）值、電流輸出（測量）值、參考環(huán)境溫度、日期、時間以及以秒作單位的倒計(jì)時（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，所有鍵盤功能都可以通過串口指令完成，開放的通信規(guī)約，可以完成現(xiàn)場壓力傳感器的自動檢定。

1.2.3 硬件組合方案設(shè)計(jì)

（1）由CST1002B臺式氣壓壓力泵，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－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（包括年穩(wěn)定性和遲滯）；CST1002B、CST1004和CST1005C 3臺壓力發(fā)生器均做了密封性試驗(yàn)，符合國家檢定規(guī)程對密封性試驗(yàn)的要求；數(shù)字繁用表電流/電壓的測量準(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（包含0.2級）以下，測量范圍分別為－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NI公司的LabVIEW8.6作為軟件開發(fā)工具。系統(tǒng)軟件主要包括設(shè)備及信息數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)自動采集、誤差計(jì)算、檢定有效期的自動計(jì)算以及檢定證書、檢定結(jié)果通知書、原始記錄自動生成等功能模塊[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]，并編制自動測量和校準(zhǔn)程序。該程序可自動進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、自動生成表格、自動進(jìn)行數(shù)據(jù)修約、自動進(jìn)行誤差計(jì)算、檢定數(shù)據(jù)可存儲、打印等（可打印檢定原始記錄、檢定證書及檢定結(jié)果通知書），從而省去了手工記錄及重復(fù)而繁雜的計(jì)算勞動，檢測效率大大提高，而且避免了人為誤差。該自動化檢定程序現(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 自動化檢定程序N-S結(jié)構(gòu)化流程圖

2 壓力傳感器現(xiàn)場自動檢定方法和過程

（1）按照圖1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。

（3）在檢定系統(tǒng)的主界面中有一個選項(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、通信及待測壓力點(diǎn)信息、壓力傳感器實(shí)際測量值信息。以下拉菜單方式直接選擇（輸入控件中有此信息）或鍵盤輸入（輸入控件中沒有此信息）相關(guān)信息，然后點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，開始壓力傳感器的自動化檢定。

（4）正行程壓力檢定[7]。首先從測量下限（或零點(diǎn)）開始，自動判斷計(jì)算機(jī)采集到的CST2005值是否等于壓力傳感器選取的第1個待檢壓力值。一旦相等，計(jì)算機(jī)自動采集數(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量上限值，依次自動采集各檢定點(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，開始做反行程壓力檢定，從測量上限處開始，自動判斷計(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個待檢壓力值。一旦相等，計(jì)算機(jī)自動采集數(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)地降壓至測量下限，依次自動采集各檢定點(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)確度等級進(jìn)行n次循環(huán)檢定，依次自動采集各檢定點(diǎn)的輸出值。測試軟件隨即自動處理采集的數(shù)據(jù)，自動生成檢定原始記錄、檢定證書（或檢定結(jié)果通知書），檢定完畢。

3 結(jié)束語

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

用該自動檢定系統(tǒng)代替過去用二等標(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強(qiáng)度，提高了壓力傳感器的檢測效率和檢測質(zhì)量。目前，該壓力傳感器自動檢定系統(tǒng)已運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)室的日常檢定中，對該自動檢定系統(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。

[1] 唐賢遠(yuǎn)，劉岐山.傳感器原理及應(yīng)用[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1998：35-53.

[2] 陳來好.自動控制工程基礎(chǔ)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，1995：70-94.

[3] 曹柱中.自動控制理論與設(shè)計(jì)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1991：23-45.

[4] 孫虎章.自動控制原理[M].2版.北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1994：81-97.

[5] 黃迪明.軟件技術(shù)基礎(chǔ)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2000：17-33.

[6] 周其節(jié)，李培豪.自動控制原理[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，1989：56-74.

[7]JJG 860—1994壓力傳感器（靜態(tài)）檢定規(guī)程[M].北京：中國計(jì)量出版社，2002.