甘 蓉 ，郝羅亮 ，汪 帥 ，張劍霜 ，劉 莎

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

壓力儀表的交變試驗是壓力儀表型式評價大綱要求必做的試驗項目，主要用于測試壓力敏感元件在疲勞工作狀態(tài)下計量性能的穩(wěn)定性.目前壓力交變試驗機(jī)采用活塞往復(fù)式控制原理，通過控制活塞位移控制受壓腔內(nèi)壓力大小，達(dá)到交變實驗的目的[1].活塞往復(fù)式交變試驗機(jī)作為主流中、高壓交變試驗設(shè)備，已廣泛應(yīng)用.由于采用活塞系統(tǒng)而導(dǎo)致的密封性不足，溫度影響穩(wěn)定性和介質(zhì)壓縮比等參數(shù)的限制，活塞式往復(fù)交變機(jī)常應(yīng)用于0.6～60.0 MPa液體介質(zhì)的壓力儀表交變試驗.對要求使用氣體介質(zhì)的壓力類儀表及微壓級別儀表的交變試驗，活塞式往復(fù)交變試驗機(jī)不能滿足要求，使用氣體介質(zhì)進(jìn)行交變試驗還無法有效的實現(xiàn).

與活塞往復(fù)式交變試驗機(jī)不同，本文利用充壓、放壓的原理，消耗一定的工作介質(zhì)產(chǎn)生壓力正弦波信號，這樣的設(shè)計具有以下優(yōu)點：每一個交變周期都進(jìn)行充壓動作，避免傳統(tǒng)活塞往復(fù)式交變機(jī)在試驗過程中由于系統(tǒng)泄漏需要進(jìn)行補壓的缺點[2]；采用氣體介質(zhì)，滿足單真空或壓力真空復(fù)合式壓力儀表的交變試驗要求；準(zhǔn)確控制交變壓力上下限，同時滿足差壓類壓力儀表在一定的靜壓環(huán)境下進(jìn)行差壓量程的壓力交變要求.

全式交變機(jī)不僅可調(diào)交變幅度、交變頻率，通過計數(shù)模塊，還能實現(xiàn)自動記錄交變次數(shù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的交變次數(shù)自動停機(jī)的功能，真正意義上實現(xiàn)交變試驗全過程無人值守[3].設(shè)計上采用壓力傳感器采集壓力信號，經(jīng)過放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號[4]，利用設(shè)置菜單，更改交變上、下限值，最后通過控制電磁閥的通斷，得到一個正弦波形的壓力信號.

1 工作原理

進(jìn)行表壓交變試驗時，差壓部分控制閥門關(guān)閉，系統(tǒng)壓力升高時，進(jìn)氣電磁打開，氣源進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力持續(xù)升高.當(dāng)系統(tǒng)壓力升高到設(shè)置的上限交變值時，單片機(jī)控制進(jìn)氣電磁閥關(guān)閉，排氣電磁閥打開，氮氣持續(xù)排除，系統(tǒng)壓力下降.系統(tǒng)壓力下降到設(shè)備下限交變值時，單片機(jī)控制排氣電磁閥關(guān)閉，進(jìn)氣電磁閥打開，系統(tǒng)再次升壓，完成一個交變周期，如圖1所示，圖中：M為電機(jī)；H、L分別為差壓的高、低端；P1～Pn為n個被測口；P為壓力標(biāo)準(zhǔn).

一個交變周期內(nèi)，系統(tǒng)壓力上升的時間和下降的時間.（即交變頻率.）取決于進(jìn)氣和排氣的流量，電路部分的時頻模塊檢測同一電磁閥兩次動作的時間.壓力上升時，進(jìn)氣電磁閥從開到閉的時間由進(jìn)氣流量決定[5]，進(jìn)氣流量越大電磁閥開閉時間越短，交變上升時間越短，反之同理.壓力下降時，排氣電磁閥從開到閉的時間由排氣流量決定.在進(jìn)氣壓力恒定的情況下，通過改變進(jìn)氣、排氣流量控制交變上升、下降的時間[6].通過脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號到進(jìn)氣流量控制閥和排氣流量控制閥[7]，分別控制進(jìn)氣流量和排氣流量，實現(xiàn)控制交變頻率.

圖 1 工作原理Fig.1 Schematic of working principle

完成一個交變周期時，進(jìn)氣電磁閥通斷一次，通過測量進(jìn)氣電磁閥開啟的次數(shù)，就能得到交變次數(shù).通過預(yù)設(shè)交變次數(shù)，在交變次數(shù)達(dá)到設(shè)置上限時，輸出一組開關(guān)量信號，控制氣源電磁閥由常通變?yōu)槌?，同時輸出另一組開關(guān)量信號，控制放空電磁閥由常斷變?yōu)槌Ｍǎ瑲庠磾嚅_，系統(tǒng)與大氣相通，交變試驗完畢.

在靜壓環(huán)境下進(jìn)行差壓交變試驗時，將主傳感器更換為差壓傳感器，選擇差壓模式.差壓模式中，差壓電磁閥組參與工作，實現(xiàn)在靜壓環(huán)境下進(jìn)行差壓交變的功能.

2 結(jié)構(gòu)及組成

全壓式交變機(jī)由氣路部分和控制部分組成.氣路部分采用氮氣作為測試介質(zhì)，減壓閥控制氣源壓力，開關(guān)電磁閥與比例電磁閥控制交變壓力.控制部分采用STM32單片機(jī)進(jìn)行信號采集及運算[8]，采用磁隔離芯片實現(xiàn)電路隔離，L9352B驅(qū)動芯片驅(qū)動開關(guān)電磁閥和比例電磁閥[9].

2.1 氣路結(jié)構(gòu)

氣路部分由減壓閥、開關(guān)電磁閥、流量電磁閥和壓力傳感器組成，壓力傳感器用于采集壓力信號.預(yù)留3～6個試驗樣品安裝接口，可同時進(jìn)行多量程多臺樣品的試驗.

氣體間斷性進(jìn)入和排出系統(tǒng)，對氣源有一定損耗.在設(shè)計中將氣路系統(tǒng)總?cè)莘e盡量縮小，減小對氣源的消耗，節(jié)約成本的同時延長氣源使用時間.

2.2 控制部分

壓力信號來源于壓力傳感器，選用單晶硅壓力傳感器，響應(yīng)時間 ≤ 1 ms，輸出信號為mV級.根據(jù)傳感器特性在激勵電壓5 V時，輸出信號為 -30～150 mV.通過信號放大器得到數(shù)字信號參與運算.信號采集頻率與傳感器響應(yīng)時間同步，達(dá)到1 kHz.交變試驗要求交變頻率60次/min，在一個交變周期內(nèi)能采集約1 000次的壓力信號，能準(zhǔn)確地為單片機(jī)提供輸入信號.

進(jìn)行表壓交變試驗時，選擇表壓模式，這時靜壓進(jìn)氣閥、靜壓平衡閥和靜壓放空閥始終關(guān)閉.開始試驗后，運算部分控制開關(guān)控制器向氣源電磁閥發(fā)出開關(guān)量信號，控制氣源電磁閥開啟，向放空電磁閥發(fā)出開關(guān)量信號，控制放空電磁閥關(guān)閉，試驗開始；當(dāng)系統(tǒng)壓力值達(dá)到交變壓力上限時，運算部分控制開關(guān)控制器向進(jìn)氣電磁閥發(fā)出開關(guān)量信號，控制進(jìn)氣電磁閥關(guān)閉，同時向排氣電磁閥發(fā)出開關(guān)量信號，控制排氣電磁閥開啟，系統(tǒng)排壓；系統(tǒng)壓力下降到交變壓力下限時，運算部分控制開關(guān)控制器向進(jìn)氣電磁閥發(fā)出開關(guān)量信號，控制進(jìn)氣電磁閥開啟，同時向排氣電磁閥發(fā)出開關(guān)量信號，控制排氣電磁閥關(guān)閉，系統(tǒng)升壓，此時完成一個交變循環(huán).

運算部分采集進(jìn)氣電磁閥通斷時間，與設(shè)置的時間作比較，采集時間大于設(shè)置時間時，運算部分控制驅(qū)動芯片調(diào)整進(jìn)氣流量閥正向動作，進(jìn)氣流量增大，此時下次循環(huán)的采集時間減小，如此往復(fù)，直至與設(shè)置時間一致.同理，運算部分采集排氣電磁閥由斷到通的時間，與設(shè)置的時間作比較，可控制排氣時間.

由上可知，進(jìn)氣電磁閥兩次通路時一個交變循環(huán)完成，計數(shù)器采集到進(jìn)氣電磁閥通路的次數(shù)予以累加，達(dá)到顯示部分設(shè)置的次數(shù)時，控制氣源電磁閥關(guān)閉，同時開啟放空電磁閥，氣源截斷，系統(tǒng)放空，交變試驗結(jié)束.

在進(jìn)行靜壓環(huán)境下差壓交變試驗時，選擇差壓模式，然后手動將靜壓減壓閥排氣端調(diào)整到所需要的靜壓力.單片機(jī)控制靜壓進(jìn)氣閥和靜壓平衡閥開啟.在差壓傳感器和被測表兩端施加靜壓.開始試驗時，靜壓平衡閥關(guān)閉.差壓傳感器和被測表高、低壓端截斷.差壓傳感器兩端測得壓力差，后續(xù)原理與表壓交變試驗相同.差壓交變試驗結(jié)束后，靜壓進(jìn)氣閥關(guān)閉，靜壓平衡閥打開，差壓傳感器高低壓端連通，差壓為零，再打開放空電磁閥，系統(tǒng)通大氣.差壓模式下，靜壓減壓閥始終保持低壓端的壓力為要求靜壓力，無需進(jìn)行人工干涉.

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，分別將傳感器部分、計數(shù)部分與控制部分模塊化[10].模塊化設(shè)計便于更換量程，實現(xiàn)不同量程的試驗要求.系統(tǒng)設(shè)計采用STM32單片機(jī)控制電路，由STM32信號產(chǎn)生電路、隔離電路和驅(qū)動電路組成，同時控制開關(guān)型電磁閥和流量閥，不同的是芯片輸出信號的差異，分別為數(shù)字信號和PWM信號.

硬件系統(tǒng)控制核心采用STM32單片機(jī)，采用專用集成驅(qū)動芯片L9352B來控制和監(jiān)測電磁閥[11].電磁閥電路框圖如圖2所示，采用隔離芯片實現(xiàn)主控芯片與驅(qū)動芯片的隔離，ARM輸出的PWM或者數(shù)字信號在隔離芯片隔離后控制L9352B，從而控制電磁閥；電磁閥的狀態(tài)通過L9352B輸出后再經(jīng)過隔離芯片隔離后輸入ARM，實現(xiàn)了電磁閥狀態(tài)的監(jiān)控和統(tǒng)計.

圖 2 電磁閥電路Fig.2 Circuit diagram of solenoid valve

3.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件在Keil uVision 4的開發(fā)的環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)，使用C語言編寫，采用從上到下的模塊化設(shè)計方法[12].以STM32單片機(jī)控制進(jìn)氣電磁閥為例，程序流程如圖3.

初始后首先檢查故障，如有故障，處理后重新檢測，直到無故障.下一步檢查是否接收到數(shù)據(jù)，如果未接收到數(shù)據(jù)，重新檢查故障，如果接收到數(shù)據(jù)，則判斷電磁閥打開還是關(guān)閉.如果電磁關(guān)閉，返回故障檢測，如果電磁閥打開，則統(tǒng)計打開次數(shù).最后判斷打開次數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)，如果未達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)，再次返回故障檢測，如果達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)，則結(jié)束試驗.其中電磁閥打開次數(shù)統(tǒng)計控制流程如圖4，圖中，NPN為開關(guān)量信號.

圖 3 進(jìn)氣電磁閥控制流程Fig.3 Flow chart of control program for inlet solenoid valve

圖 4 計數(shù)器程序流程Fig.4 Counter program flow chart

4 試驗與分析

根據(jù)工作原理可知，每個交變周期的交變上限壓力全部由氣源提供，避免了活塞往復(fù)式交變試驗機(jī)由系統(tǒng)泄漏帶來的壓力上限逐漸減小的情況，交變試驗波形在試驗前后完全一致，試驗數(shù)據(jù)如圖5.

選取 -100～100 kPa的壓力真空表進(jìn)行交變試驗，試驗波形如圖5（e），根據(jù)型式評價大綱[13]的要求，交變試驗上限壓力為滿量程的75%（50 kPa），交變試驗下限壓力為滿量程的25%（-50 kPa）.分析試驗波形圖可知，一個交變周期內(nèi)壓力值的采集次數(shù)以及壓力傳感器的準(zhǔn)確度直接影響交變試驗中交變上、下限壓力的準(zhǔn)確.一個交變周期的壓力信號采集頻率達(dá)到1 kHz，在一個振幅內(nèi)的采集次數(shù)達(dá)到250次，由采集頻率帶來的分辨力p1如式（1）所示.選用準(zhǔn)確度等級為0.2級的壓力傳感器，由壓力傳感器帶來的傳感器誤差p2如式（2）所示.交變機(jī)的最大誤差p如式（3）所示.

圖 5 交變試驗數(shù)據(jù)Fig.5 Alternating test data

式中：P為壓力量程，kPa.

經(jīng)過試驗，計算得出交變機(jī)最大控制誤差為0.28%，完全滿足交變試驗要求.

5 結(jié) 論

（1）解決了傳統(tǒng)活塞往復(fù)式交變機(jī)在交變試驗中需要人為去操作的問題，試驗中采用一種全新的工作原理，結(jié)合簡單的控制方式，實現(xiàn)了在壓力交變試驗中的全自動試驗功能.

（2）補充了傳統(tǒng)活塞往復(fù)式交變機(jī)無法實現(xiàn)的單真空或正壓真空復(fù)合型交變試驗的空缺.

（3）實現(xiàn)在差壓類壓力儀表在靜壓環(huán)境下進(jìn)行差壓量程的交變試驗，彌補了原先技術(shù)層面上的空缺.

（4）自主開發(fā)控制軟件，功能完整，人機(jī)交互界面友好，操作簡單，真正意義上做到無人值守.

由試驗數(shù)據(jù)可知，由于工作原理與活塞往復(fù)式交變試驗機(jī)完全不同，試驗結(jié)果優(yōu)于設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，也優(yōu)于活塞活塞往復(fù)式交變試驗機(jī).特別在介質(zhì)要求為氣體和量程偏小的情況下具有很多優(yōu)點.除滿足型評類壓力儀表交變試驗的要求外，對某些特殊行業(yè)和具有特殊要求的交變試驗要求，如要求壓力波形為三角波、方波等，也能具有改動空間.在對交變試驗機(jī)的改進(jìn)和發(fā)展上具有探索的方向.