馮齊斌，章天霈，張振彥

（上海市計量測試技術研究院，上海 201203）

PPC4是一款單機壓力控制器，適用于設置和控制氣體壓力至一個封閉的容積，常見于壓力測量儀器的校準和測試。PPC4的設計使其成為了最大通用性和易用性的高性能組合[1]。PPC4可裝配一個低成本的實用傳感器用于壓力監(jiān)測，或者裝配一個或兩個石英參考壓力傳感器，使其能夠以非常低的測量不確定度來測量壓力。壓力控制是由一個基于數(shù)字控制電磁閥和差壓調(diào)節(jié)器的專利氣動模塊實現(xiàn)的，PPC4可由用戶使用前面板的顯示屏、鍵盤和功能鍵進行本地操作控制，或者通過一臺計算機利用RS232接口或IEEE-488.2接口采用ASCII字符命令串進行遠程控制，測量上限最高可至14MPa，具有絕壓、表壓和負表壓測量模式。

1 工作原理

PPC4被設計為有兩種前面板本地界面配置。高級圖形用戶界面版本PPC4-ui通常用于臺式應用；基本型PPC4的基本用戶界面的功能有限，通常被用于計算機控制的應用，例如自動校準。遠程通信通過RS232（COM1）或IEEE-488接口實現(xiàn)。每一PPC4出廠時都配有PPC4 Cockpit軟件。PPC4 Cockpit軟件通過RS232或USB端口與PPC4進行通信。PPC4 Cockpit軟件的功能、外觀和使用體驗與高級用戶界面完全一樣，為用戶提供了基本型PPC4和PPC4-ui的功能性和方便易用的界面[2]。

圖1 動態(tài)壓力控制圖Fig.1 Dynamic pressure control diagram

圖2 靜態(tài)壓力控制圖Fig.2 Static pressure control diagram

圖3 動態(tài)壓力控制模式下的就緒/未就緒狀態(tài)圖Fig.3 Ready/not ready status diagram in dynamic pressure control mode

1.1 直接壓力控制

直接壓力控制鍵可直接手動控制PPC4壓力的增大、減小和微調(diào)。按上鍵或下鍵使壓力以高速率增大或減小。當未處于動態(tài)控制模式時，按上鍵或下鍵（基本界面時）會使壓力以低速率增大或減小。在動態(tài)控制模式下，按上鍵或下鍵會使壓力以固定量微調(diào)或步進。在壓力控制作用期間，會使目標壓力以固定量發(fā)生變化，每按一次步進一步。步長的約值是根據(jù)當前的有效PPC4量程自動設置的，可利用微調(diào)功能調(diào)整步進值[3]。

1.2 自動壓力控制

PPC4的自動壓力控制功能可自動將壓力調(diào)整及控制至用戶指定的某個目標值。在主工作屏幕中按SET鍵即可輸入并執(zhí)行一個壓力控制目標值，按ESC鍵或SET鍵則中斷當前的壓力控制。在本地模式下時，發(fā)送一條遠程命令也會中斷壓力控制。PPC4支持兩種壓力控制模式，以滿足不同的壓力設置和控制要求：動態(tài)和靜態(tài)。當選擇了某個量程或采用自動量程時，每種控制模式的壓力控制參數(shù)均被自動設置為所選PPC4工作量程下的最佳默認值?？刂茀?shù)包括：

Target Pressure（目標壓力）用戶指定的壓力設置點。

Hold Limit（保持限值）目標值附近對稱的正限值和負限值，在此范圍內(nèi)維持受控的壓力。

Stability Limit（穩(wěn)定限值）壓力變化速率的限值，以壓力/秒為單位，作為靜態(tài)控制PPC4空閑時“就緒/未就緒”狀態(tài)的標準[4]。

動態(tài)控制模式設計用于將壓力設置為目標值并連續(xù)進行控制，使壓力保持在保持限值范圍之內(nèi)并盡量接近目標值，這種控制模式的優(yōu)點是最終達到的壓力與目標值相同?？刂普`差的最大值等于保持限值，控制誤差的平均值一般遠遠小于保持限值。在動態(tài)壓力控制期間，保持限值是有效的。如果壓力超出保持限值，就會發(fā)生未就緒狀態(tài)。

靜態(tài)控制模式設計用于將壓力設置為接近目標值，然后停止主動控制，使壓力自然穩(wěn)定在保持限值范圍之內(nèi)。這種控制模式的優(yōu)點是無需壓力控制系統(tǒng)的介入即可在定義的目標值限值范圍內(nèi)設置和/或測量壓力。在靜態(tài)控制期間，保持限值是有效的。如果壓力超出保持限值，就會發(fā)生未就緒狀態(tài)，并且壓力被調(diào)整至目標值[5]。

1.3 壓力就緒/未就緒

PPC4前面板上提供了就緒/未就緒指示。該指示為用戶提供了一個清晰、直觀的標準，從而確定什么時間能夠進行有效的壓力測量。就緒/未就緒LED指示燈含義如下：

〈綠色〉壓力就緒。表示PPC4要么是正在有效地控制壓力，并且滿足就緒狀態(tài)標準；要么是PPC4并未在主動控制壓力，而壓力的變化速率在穩(wěn)定限值范圍之內(nèi)。

〈黃色〉壓力準就緒。PPC4正在通過精密壓力控制主動控制壓力，并且已經(jīng)接近滿足就緒狀態(tài)的條件。

〈紅色〉壓力未就緒。要么是PPC4為空閑狀態(tài)并且壓力不滿足穩(wěn)定試驗條件；要么是PPC4正在主動控制壓力，但是尚不滿足就緒狀態(tài)的條件。

當壓力控制不工作時：發(fā)生就緒狀態(tài)時，沒有控制閥動作，壓力變化速率在穩(wěn)定限值范圍之內(nèi)。穩(wěn)定限值是以壓力變化速率定義的，單位為“當前的壓力單位/秒”。當壓力控制工作時：判斷就緒/未就緒狀態(tài)的標準取決于當前的控制模式為靜態(tài)控制還是動態(tài)控制。當采用自動量程或選擇了控制模式時，壓力就緒/未就緒參數(shù)被設置為默認值。

2 表壓和負表壓模式

圖4 靜態(tài)壓力控制模式下的就緒/未就緒狀態(tài)圖Fig.4 Ready/not ready status diagram in static pressure control mode

PPC4本質(zhì)上測量絕壓，但是它們亦可用于表壓和負表壓測量模式。利用調(diào)零功能從Q-RPT的絕壓測量讀數(shù)中減去大氣壓值，即可實現(xiàn)表壓測量模式。在表壓或負表壓測量模式下，只要PPC4處于卸壓狀態(tài)，測量程序即自動運行[6]。

在運行AutoZ和刷新Poffset,G值之間，大氣壓會發(fā)生變化，例如在不卸壓而進行全面測試時。PPC4利用大氣壓動態(tài)補償來修正大氣壓的變化。當執(zhí)行AutoZ時，Poffset,G值則被確定了，PPC4的內(nèi)置大氣壓計的讀數(shù)Poffatm,0也會被記錄。隨后，當不再卸壓時，大氣壓自上次Poffset,G被刷新以來的變化值ΔPatm就是當前大氣壓計讀數(shù)Patm和上次執(zhí)行AutoZ時的大氣壓計讀數(shù)Patm,0之差。

大氣壓動態(tài)補償功能利用ΔPatm，修正Poffset,G的值，從而總是實時補償大氣壓的變化。（絕壓）Q-RPT的表壓測量功能可實現(xiàn)在表壓和絕壓測量模式之間的瞬時轉(zhuǎn)換。表壓模式下由于大氣壓動態(tài)補償技術引起的任何附加不確定度是內(nèi)置大氣壓計的分辨力和短期穩(wěn)定度的函數(shù)，而與其絕壓測量不確定度無關。該附加不確定度為±1Pa。

3 測量方式

PPC4可以設置當前量程的測量模式（絕壓、表壓或負表壓），能夠在多達3種不同測量模式間進行簡單的一步式切換。

1）絕壓：測量相對于真空（零為真正的真空）的壓力，測量范圍從絕壓至滿量程。

2）表壓：測量相對于大氣壓的壓力（零為大氣壓），測量范圍從零至滿量程。

3）負表壓：測量相對于大氣壓的壓力（零為大氣壓），壓力值可為正或負，測量范圍從1個負大氣壓至正滿量程。

設置當前量程的自動壓力控制模式、自定義控制參數(shù)、當前默認控制參數(shù)?？刂疲–ontrol）功能可將當前量程的控制模式設置為動態(tài)或靜態(tài)?？刂颇Ｊ礁綄儆诋斍傲砍滩⒃诹砍贪l(fā)生變化時隨該量程保存。當利用Control功能選擇了某個控制模式時，控制參數(shù)則自動被設置為當前量程的默認值。默認控制參數(shù)已經(jīng)被設置為最適合典型用戶保證PPC4的工作在壓力控制和測量技術指標范圍之內(nèi)。每一PPC4的默認量程都有默認的參數(shù)，并且自動量程功能自動設置適合于自動量程的控制參數(shù)。在Control功能下可查看和自定義控制模式參數(shù)。自定義保持和穩(wěn)定性控制參數(shù)會改變判斷就緒/未就緒的條件。這可用來提高控制速度（縮短達到就緒的時間）。通常通過降低控制精度提高速度，或者提高精度通常會降低控制速度。

4 結論

福祿克PPC4壓力控制器可以實現(xiàn)絕壓、表壓、負表壓多種參數(shù)的測量，動態(tài)和靜態(tài)控制模式實現(xiàn)精準的壓力調(diào)節(jié)。PPC4測量精度高，控制效果好，可以滿足各類壓力儀表的量值溯源要求。