秦亭亭 洪扁 馬力 馮齊斌 徐煦/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

壓力測(cè)量?jī)x器儀表按照工作原理可分為液體式壓力計(jì)、彈性式壓力計(jì)、活塞式壓力計(jì)、壓力變送器和數(shù)字式壓力計(jì)五大類(lèi)[1]。壓力變送器是通過(guò)某些轉(zhuǎn)換元件，將壓力變成電量來(lái)測(cè)量的壓力計(jì)，一般包括壓力變送器和壓力傳感器。

壓力變送器是一種將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣動(dòng)信號(hào)或電動(dòng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制和遠(yuǎn)傳的設(shè)備。它能感受壓力并將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓚魉偷臉?biāo)準(zhǔn)輸出電信號(hào)，如 4～20 mA 電流信號(hào)或 1～5 V 電壓信號(hào)[2]。壓力變送器的校準(zhǔn)通常利用數(shù)字壓力控制器作為壓力標(biāo)準(zhǔn)器，提供標(biāo)準(zhǔn)壓力值；利用直流電流表或直流電壓表作為電信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)器。校準(zhǔn)過(guò)程中，每臺(tái)壓力變送器必須配備相應(yīng)的直流電流表或直流電壓表，多臺(tái)壓力變送器同時(shí)校準(zhǔn)時(shí)連線復(fù)雜，成本巨大。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種信號(hào)轉(zhuǎn)換箱和多通道校準(zhǔn)臺(tái)，該校準(zhǔn)臺(tái)利用精密電阻將壓力變送器的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；利用多通道數(shù)據(jù)采集器作為電信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)器，可同時(shí)采集20路壓力變送器的輸出電壓信號(hào)值，降低了校準(zhǔn)成本，提高了工作效率。

1 多通道壓力變送器校準(zhǔn)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的多通道壓力變送器校準(zhǔn)系統(tǒng)主要包括：數(shù)字壓力控制器、多通道數(shù)據(jù)采集器、自制信號(hào)轉(zhuǎn)換箱、直流電源、機(jī)械泵及分子泵組、多通道檢測(cè)臺(tái)、計(jì)算機(jī)和打印機(jī)。圖1為該系統(tǒng)的主要構(gòu)成，圖中被檢壓力變送器為兩線制電流輸出，多個(gè)壓力變送器通過(guò)氣路與數(shù)字壓力控制器串聯(lián)，其輸出信號(hào)線通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換箱與供電電源和多通道數(shù)據(jù)采集器相連。

圖1 多通道壓力變送器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

該校準(zhǔn)系統(tǒng)的壓力標(biāo)準(zhǔn)器選用數(shù)字壓力控制器，數(shù)字壓力控制器準(zhǔn)確度等級(jí)為0.01級(jí)，量程可覆蓋真空～10 MPa。電信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)器部分，常用的數(shù)字多用表僅有一路電壓或者電流信號(hào)，因此，當(dāng)同時(shí)校準(zhǔn)多臺(tái)壓力變送器時(shí)，需要同時(shí)連接多臺(tái)數(shù)字多用表，連接線路復(fù)雜且成本較高。目前市場(chǎng)上多通道信號(hào)采集器多為電壓信號(hào)，相對(duì)于多通道電流采集器，多通道電壓采集器精度較高且穩(wěn)定性較好，因此，本項(xiàng)目采用多通道電壓采集器作為電信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)器，該采集器可同時(shí)采集20路電壓信號(hào)。

2 信號(hào)轉(zhuǎn)換箱

壓力變送器的供電電壓常為24 V DC，常見(jiàn)的接線方式分為兩線制電流輸出、三線制電壓輸出和四線制電壓輸出[3]，如圖2所示。

圖2 常見(jiàn)壓力變送器校準(zhǔn)接線圖

本文設(shè)計(jì)一多通道電流電壓轉(zhuǎn)換箱，可以利用精密電阻將壓力變送器的輸出信號(hào)統(tǒng)一為電壓信號(hào)，方便多通道數(shù)據(jù)采集器的采集與測(cè)量。圖3（a）為四通道電流電壓轉(zhuǎn)換箱外觀設(shè)計(jì)圖，圖3（b）為電阻箱內(nèi)部接線圖。如圖3（b）所示，信號(hào)轉(zhuǎn)換箱內(nèi)的每個(gè)電阻的一端均與六腳開(kāi)關(guān)的一個(gè)公共端連接，另一端連接電源負(fù)極。該六腳開(kāi)關(guān)的另一個(gè)公共端連接待校壓力變送器的信號(hào)輸出端，一個(gè)常閉端連接多通道數(shù)據(jù)采集器。該常閉端與一個(gè)常開(kāi)端短接，另一個(gè)常開(kāi)端與上述一個(gè)公共端短接。待校壓力變送器的電源正端與電源正極連接，圖3（a）四個(gè)插線孔分別對(duì)應(yīng)六腳開(kāi)關(guān)的另一個(gè)公共端、一個(gè)常閉端以及電源正極、電源負(fù)極。圖3（b）中的六腳開(kāi)關(guān)的1、6端為公共端，2、5端為常閉端，3、4端為常開(kāi)端。按下開(kāi)關(guān)，該六腳開(kāi)關(guān)的連線由原來(lái)的2-6端，1-5端連接變?yōu)?-3端，4-6端連接，也可以選擇其他類(lèi)型的六腳開(kāi)關(guān)。該電路中的電源可以有220 V交流電通過(guò)整流模塊變?yōu)?4 V直流電，以為待校壓力變送器供電，也可以根據(jù)待校壓力變送器的電源類(lèi)型進(jìn)行選擇。這樣，通過(guò)六腳開(kāi)關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)與之相連的電阻接入或者斷開(kāi)，測(cè)試人員可以根據(jù)與之相連的待校壓力變送器的輸出類(lèi)型通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇是否接入電阻。接入電阻時(shí)，被檢壓力變送器的直流電流將被轉(zhuǎn)換為精密電阻兩端的輸出電壓。本文設(shè)計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)換箱內(nèi)電阻選擇0.01級(jí)，250 Ω精密電阻。當(dāng)壓力變送器的輸出信號(hào)為4～20 mA時(shí)，串聯(lián)的精密電阻兩端的電壓應(yīng)為1～5 V。

圖3 信號(hào)轉(zhuǎn)換箱內(nèi)部圖

3 多通道校準(zhǔn)臺(tái)

為了實(shí)現(xiàn)多臺(tái)壓力變送器的同時(shí)校準(zhǔn)，必須將這些儀器通過(guò)氣路同時(shí)連接至數(shù)字壓力控制器的TEST +端。本文設(shè)計(jì)一轉(zhuǎn)四的氣路支架，如圖4所示。支架可以單獨(dú)使用，也可以相連同時(shí)使用，中間設(shè)計(jì)截止閥門(mén)。將信號(hào)轉(zhuǎn)換箱設(shè)置在檢測(cè)平臺(tái)上，更加方便上門(mén)校準(zhǔn)時(shí)攜帶。支架設(shè)置了輸出端口，多個(gè)支架相連可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變送器的同時(shí)校準(zhǔn)。

圖4 多通道檢測(cè)臺(tái)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)換箱如圖5所示，圖中被檢的壓力變送器為兩線制電流輸出，信號(hào)轉(zhuǎn)換箱表面的紅黑端口為電源端口，藍(lán)黃端口為信號(hào)端口，紅黑端口引線接到壓力變送器的電源正負(fù)端，藍(lán)黃端口引線接到數(shù)字多用表的相應(yīng)信號(hào)端。如圖5（a）所示，當(dāng)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)處于電流檔時(shí)，藍(lán)黃端口連接至數(shù)字多用表的電流檔，輸出信號(hào)顯示為3.984 0 mA。圖5(b)中，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)撥至電壓檔，此時(shí)被檢壓力變送器與精密電阻串聯(lián)，通過(guò)精密電阻的電流與被檢壓力變送器輸出電流相同，藍(lán)黃端口連接至數(shù)字多用表的電壓檔，此時(shí)理論輸出電壓應(yīng)為（250 Ω±250 Ω×0.01%）×3.984 0 mA=0.996 0 V±0.000 1 V，圖5（b）中的數(shù)字多用表輸出信號(hào)顯示為0.996 1 V，在理論輸出電壓范圍內(nèi)。一個(gè)多通道校準(zhǔn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)四臺(tái)壓力變送器的同時(shí)校準(zhǔn)，通過(guò)校準(zhǔn)臺(tái)串聯(lián)，并將信號(hào)線一次接入多通道數(shù)據(jù)采集器，可實(shí)現(xiàn)更多壓力變送器的同時(shí)校準(zhǔn)與數(shù)據(jù)采集。另外，該校準(zhǔn)臺(tái)無(wú)需外接電源，使用方便，操作簡(jiǎn)單，可大大提高壓力變送器的校準(zhǔn)效率。

圖5 信號(hào)轉(zhuǎn)換箱輸出

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)壓力變送器輸出信號(hào)不統(tǒng)一導(dǎo)致的校準(zhǔn)效率低下的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可切換電阻電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換箱，通過(guò)六腳開(kāi)關(guān)，可選擇是否接入精密電阻，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了電流輸出的壓力變送器信號(hào)轉(zhuǎn)換為精密電阻兩端的電壓信號(hào)。其次，通過(guò)設(shè)計(jì)多通道校準(zhǔn)臺(tái)可方便實(shí)現(xiàn)多通道壓力變送器的同時(shí)校準(zhǔn)，該裝置體積輕便，方便上門(mén)校準(zhǔn)，可大幅度提高壓力變送器的校準(zhǔn)效率。