趙海鷹

(92493部隊(duì)60分隊(duì)，遼寧葫蘆島市 125000)

1 引 言

貯運(yùn)箱是裝備承載與發(fā)射的組成部分，箱體充有干燥空氣或氮?dú)猓⒈３诌m當(dāng)?shù)恼龎?，防止外部環(huán)境高溫、高濕氣體進(jìn)入箱體，對(duì)內(nèi)部裝備造成腐蝕與損壞。為了保證這些條件，貯運(yùn)箱箱體通常配備了溫度、濕度和壓力傳感器或儀表，對(duì)貯運(yùn)箱的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且對(duì)于貯運(yùn)箱的內(nèi)部環(huán)境溫度、濕度、壓力以密封性性都要求有一定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。貯運(yùn)箱要裝配的溫、濕度，壓力環(huán)境監(jiān)測(cè)用儀表，通常為固定結(jié)構(gòu)，全部拆卸檢定費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也容易破壞整個(gè)箱體的密封結(jié)構(gòu)。歷年的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明，這些儀表的損壞和失效率較高，急需有一套便捷、高效的檢測(cè)方法、技術(shù)手段和設(shè)備，對(duì)其開(kāi)展校測(cè)。本文對(duì)貯運(yùn)箱技術(shù)性能與測(cè)試要求分析，結(jié)合貯運(yùn)箱維護(hù)工作實(shí)際，設(shè)計(jì)與研制集壓力，溫、濕度及氣密性測(cè)試功能為一體的在線綜合檢測(cè)裝置。

2 貯運(yùn)箱監(jiān)測(cè)儀表檢測(cè)方法

2.1 檢測(cè)儀表在線檢測(cè)方案

由于箱體儀表不易拆卸，易損壞，重復(fù)拆卸氣密性難以保證的特點(diǎn)，這限制了實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格按照檢定規(guī)程對(duì)貯運(yùn)箱監(jiān)測(cè)儀表和傳感器開(kāi)展檢定。必須結(jié)合貯運(yùn)箱維護(hù)工作實(shí)際，設(shè)計(jì)一套科學(xué)、合理、可行的檢測(cè)方案。按照貯運(yùn)箱維護(hù)管理操作規(guī)程，需要定期對(duì)其充氣、補(bǔ)氣，在這一時(shí)機(jī)，進(jìn)行貯運(yùn)箱檢測(cè)儀表或傳感器的檢測(cè)，雖然不具備檢定規(guī)程的完整性、全面性和高可靠性，但能夠不增加破壞密封性風(fēng)險(xiǎn)，保證檢測(cè)效率條件下的優(yōu)化選擇方案，采用四種方式實(shí)現(xiàn)儀表的在線直接校準(zhǔn)或原位在線檢測(cè)。

(1)計(jì)量檢定與/測(cè)試方案：對(duì)貯運(yùn)箱非固定式儀表，利用本裝置氣壓泵和溫濕度發(fā)生裝置控制產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，引入到適配器工作腔體，按檢定規(guī)程采用“直接比對(duì)法”實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢定。

(2)現(xiàn)場(chǎng)原位在線校準(zhǔn)/檢測(cè)方案：對(duì)固定式溫/濕度檢測(cè)儀表，將箱體通過(guò)連接管路和閥門(mén)連接起來(lái)，將箱內(nèi)氣體導(dǎo)入到密閉適配器容器內(nèi)，采樣箱體內(nèi)氣體，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)平衡后，同時(shí)讀取標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被校準(zhǔn)儀表數(shù)值，直接進(jìn)行原位溫濕度單點(diǎn)測(cè)量。

(3)現(xiàn)場(chǎng)原位 “負(fù)壓法”檢測(cè)方案：貯運(yùn)箱壓力表在線檢定，由于壓力表量程范圍較大，而貯運(yùn)箱使用要求禁止施加過(guò)大壓力，不能通過(guò)加壓法實(shí)現(xiàn)在線檢定，通過(guò)“正負(fù)壓檢定適配器”，對(duì)適配內(nèi)施加負(fù)壓，達(dá)到箱體施加正壓的效果，實(shí)現(xiàn)壓力表在線全量程校準(zhǔn)。

(4)現(xiàn)場(chǎng)原位條件下“充氣法”壓力表校準(zhǔn)方案：對(duì)不可拆卸壓力表，結(jié)合箱體維護(hù)充氣過(guò)程，利用外置高壓氮?dú)馄繛楸鞠到y(tǒng)提供氣源，本系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生與控制箱體充氣過(guò)程，同時(shí)通過(guò)和箱體連通的高精度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字壓力傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)箱體內(nèi)壓力，與被檢測(cè)儀表進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)從零壓力至箱體壓力范圍內(nèi)的被檢壓力表校準(zhǔn)。

要實(shí)現(xiàn)這一功能，設(shè)計(jì)一體化充氣控制和在線測(cè)試裝置是關(guān)鍵。

2.2 檢測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)

檢測(cè)裝置總體研究思路是針對(duì)貯運(yùn)箱溫濕度、壓力儀表及箱體氣密性的計(jì)量特性與校準(zhǔn)要求，研究?jī)x表原位在線校測(cè)方法，采用計(jì)算機(jī)控制和電子測(cè)量技術(shù)，充分考慮貯運(yùn)箱儀表的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制精密氣體壓力測(cè)量與發(fā)生控制器、溫、濕度高精度測(cè)量模塊、氣密性檢測(cè)單元及自動(dòng)測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)貯運(yùn)發(fā)射箱環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)儀表和傳感器的檢測(cè)。裝置總體技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 檢測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)方案

(1)壓力產(chǎn)生單元：產(chǎn)生壓力儀表校準(zhǔn)和檢測(cè)用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；采用GE的DPS8000高精度數(shù)字壓力傳感器作為壓力測(cè)量與控制核心單元，設(shè)計(jì)了精密自動(dòng)壓力控制器，壓力響應(yīng)速度快、控制精度高。對(duì)貯運(yùn)箱壓力表或壓力傳感器，在箱體維護(hù)充氣過(guò)程中，從零點(diǎn)開(kāi)始，以DPS8000高精度數(shù)字壓力傳感器為把說(shuō)準(zhǔn)，控制箱體的充氣壓力，讀取貯運(yùn)箱壓力表或壓力傳感器測(cè)量結(jié)果，與DPS8000高精度數(shù)字壓力傳感器進(jìn)行比較，完成貯運(yùn)箱壓力表或壓力傳感器的多點(diǎn)全量程檢測(cè)。

(2)溫、濕度檢測(cè)單元：采用Rotronic高精度溫濕度集成化傳感器作為系統(tǒng)的溫度濕度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量充入箱體的氣體的溫度和濕度，與貯運(yùn)箱壓力表或壓力傳感器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)溫度和濕度傳感器的單點(diǎn)檢測(cè)對(duì)比。

五四青年節(jié)，是城里年輕人的節(jié)日，今天在這個(gè)小鎮(zhèn)上卻如城里般熱鬧。高音喇叭把熱鬧的氣氛撩拔得到處都是，仿佛伸手隨便在空中抓一把就是一掌的火熱，聲聲鑼鼓更是把歡樂(lè)捶得大汗淋漓般的舒暢。每一個(gè)人的臉上都洋溢著笑。

(3)箱體氣密性檢測(cè)單元：設(shè)計(jì)保壓式貯運(yùn)箱氣密性檢測(cè)技術(shù)方案，結(jié)合維護(hù)過(guò)程，充氣至箱體要求最大壓力時(shí)，關(guān)閉充氣功能，打開(kāi)壓力測(cè)量功能，保持DPS8000高精度數(shù)字壓力傳感器和箱體連通，連續(xù)測(cè)量箱體的壓力和采集時(shí)間，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行最小二乘法線性擬合計(jì)算，得到箱體的泄露率。

2.3 檢測(cè)裝置技術(shù)指標(biāo)

a)壓力測(cè)量范圍：(-0.1～0.2)Mpa；誤差：±0.05%FS；

b)壓力控制穩(wěn)定性：0.01%FS；

c)溫度測(cè)量范圍：(-5～50)℃，誤差：±0.2℃；

d)濕度測(cè)量范圍：5%RH～95%RH，誤差：±1.5%RH。

3 檢測(cè)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

一體化檢測(cè)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)主要是壓力測(cè)量與精密控制單元的設(shè)計(jì)，精密溫濕度檢測(cè)單元及箱體的密封性檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)；系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)壓力控制接口的界面設(shè)計(jì)、閥門(mén)控制的算法設(shè)計(jì)、密封性溫度補(bǔ)償?shù)能浖O(shè)計(jì)等技術(shù)內(nèi)容。其中，控制電路的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與其研究是多參數(shù)綜合在線計(jì)量與測(cè)試方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，決定系統(tǒng)的控制精度、控制穩(wěn)定性和系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

3.1 壓力產(chǎn)生控制技術(shù)方案

1)模擬與數(shù)字雙閉環(huán)控制。裝置采用數(shù)字與模擬傳感器雙路閉環(huán)控制策略，提高了系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善了系統(tǒng)的響應(yīng)特性。裝置控制技術(shù)方案如圖2所示。圖2壓力產(chǎn)生與控制方案中，普通硅壓阻式壓力傳感器作為模擬閉環(huán)單元測(cè)量器件，形成模擬壓力負(fù)反饋，其輸出信號(hào)送入模擬控制比較器輸入端，經(jīng)過(guò)壓力控制策略產(chǎn)生控制信號(hào)，作用于氣體執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制進(jìn)氣與排氣閥門(mén)的開(kāi)度和時(shí)間，調(diào)節(jié)氣容內(nèi)的壓力值；普通硅壓阻傳感器短期穩(wěn)定性、控制分辨率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較好，但模擬輸出沒(méi)有經(jīng)過(guò)補(bǔ)償和修正，輸出壓力準(zhǔn)確度不高，受其精度限制，裝置同時(shí)采用雙閉環(huán)控制設(shè)計(jì)，根據(jù)輸入單元設(shè)定值與數(shù)字壓力傳感器測(cè)量輸出的偏差，制定數(shù)字控制策略，給出相應(yīng)的壓力控制信號(hào)，不斷對(duì)模擬壓力傳感器輸出進(jìn)行修正，調(diào)整模擬壓力控制器的給定值，使氣容內(nèi)的氣體環(huán)境達(dá)到給定的標(biāo)準(zhǔn)壓力值，實(shí)現(xiàn)壓力參數(shù)自動(dòng)檢定。同時(shí)，模擬制系統(tǒng)中采用微分電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，通過(guò)獲得dP/dt壓力變化率，實(shí)現(xiàn)微分閉環(huán)控制功能，克服了系統(tǒng)PID 反饋的超調(diào)，穩(wěn)定了輸出控制，提升了系統(tǒng)壓力產(chǎn)生的平穩(wěn)性。

圖2 裝置控制系統(tǒng)技術(shù)方案

2)精密閥門(mén)控制技術(shù)。檢測(cè)裝置氣體執(zhí)行單元選擇PARKER公司的比例閥門(mén)，由于傳統(tǒng)的比例式控制閥門(mén)的壓力輸出與溫度變化、流量與控制系統(tǒng)過(guò)程中的給定氣阻的比值系數(shù)大小、系統(tǒng)過(guò)程中的給定氣體輸入容積、當(dāng)前的輸入壓力、流量、流速等密切地息息相關(guān)，具有不可確定的非線性，因此不太有可能直接得到準(zhǔn)確的控制數(shù)學(xué)壓力模型。本裝置采用閥門(mén)組合方式，經(jīng)篩選配對(duì)，設(shè)計(jì)一組比例閥門(mén)對(duì)，采用模糊控制統(tǒng)計(jì)算法，通過(guò)檢測(cè)實(shí)際壓力輸入變化值和實(shí)際給定數(shù)值進(jìn)行對(duì)比換算，獲取壓力控制的基本信息，通過(guò)設(shè)計(jì)壓力控制與執(zhí)行單元，配合系統(tǒng)的控制策略與算法，從而控制閥門(mén)組合，將輸入壓力逐次放大逼近至實(shí)際要求或給定值，實(shí)現(xiàn)了氣體壓力的精密與穩(wěn)定輸出。

圖3 氣體執(zhí)行單元技術(shù)方案

3.2 氣密性檢測(cè)技術(shù)方案

(1)氣密性檢測(cè)單元設(shè)計(jì)。貯運(yùn)箱氣體密封性檢測(cè)單元主要由高壓氣體容器，氣泵及閥件控制系統(tǒng)組成；裝置采用觸屏方式完成氣體密封性檢測(cè)參數(shù)的設(shè)置，可以選擇氣泵或氣瓶加壓，自動(dòng)完成加壓、保壓、氣密性檢測(cè)、疏空放氣等氣密性檢測(cè)系列操作，及測(cè)量結(jié)果的自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化。

(2)線性擬合氣密性測(cè)量方法。裝置采用直壓法檢測(cè)泄漏率進(jìn)行貯運(yùn)箱氣體密封性測(cè)試，泄漏率的計(jì)算通常是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)采集被測(cè)箱體內(nèi)的起始和終止時(shí)刻兩點(diǎn)的壓力值，根據(jù)公式換算獲得。兩點(diǎn)公式計(jì)算方法容易受測(cè)量環(huán)境條件影響，而且測(cè)量誤差較大。氣密性檢測(cè)在測(cè)量過(guò)程中，按照一定時(shí)間間隔采樣氣體壓力和溫度值，采用最小二乘法線性擬合，插值擬合兩點(diǎn)測(cè)量之間量值，計(jì)算擬合直線的斜率，作為泄漏率測(cè)量結(jié)果，可以改善氣密性測(cè)量結(jié)果。

3.3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)方案

裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STM32系列微處理器與計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)方案，微處理器接收上位計(jì)算機(jī)指令完成信號(hào)輸出、測(cè)量及控制。裝置控制流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方案

4 檢測(cè)裝置性能試驗(yàn)

用一等活塞壓力計(jì)對(duì)裝置系統(tǒng)內(nèi)部高精度壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果如表1，一年測(cè)試數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定性可達(dá)到2×10。

表1 絕壓測(cè)量校準(zhǔn)結(jié)果

從系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)分析影響壓力輸出不確定度因素主要有以下方面，一是壓力設(shè)定影響量，二是系統(tǒng)控制穩(wěn)定性影響量，三是系統(tǒng)反饋環(huán)節(jié)影響量，四是隨機(jī)因素引入的重復(fù)性影響量。

(1)系統(tǒng)壓力值的設(shè)定由計(jì)算機(jī)和STM32微處理器通過(guò)16位AD569及12位D/A轉(zhuǎn)換器輸出，若考慮系統(tǒng)電壓的漂移及電壓輸出非線性影響等因素，不確定度影響量應(yīng)在0.03%，系統(tǒng)采用雙D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，提高了測(cè)試分辨率與短期穩(wěn)定性，按照有效分辨率計(jì)算不確定度影響分散性為0.0003%。

(2)控制系統(tǒng)不確定度有控制穩(wěn)定性、控制分辨率和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、比較電路漂移和閉環(huán)增益決定，裝置系統(tǒng)控制過(guò)程包括模擬與數(shù)字兩部分，為保持壓力升降的平穩(wěn)性，雙路閉環(huán)系統(tǒng)引入壓力變化率負(fù)反饋，克服了傳統(tǒng)PID控制調(diào)節(jié)的超調(diào)問(wèn)題，并且采用Z-N法，依靠大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反復(fù)調(diào)整PID控制參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得穩(wěn)定性不確定度影響分散性為0.0025%。

(3)系統(tǒng)采用數(shù)字傳感器輸出為壓力控制信號(hào)，反饋部分不確定度影響量主要由數(shù)字傳感器準(zhǔn)確度決定，根據(jù)其技術(shù)指標(biāo)可知影響量的分散性為0.02%。

(4)系統(tǒng)輸出重復(fù)性可采用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)其進(jìn)行反復(fù)測(cè)量獲得樣本，根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算樣本實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為重復(fù)性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得重復(fù)性不確定度影響分散性為0.002%。

根據(jù)擴(kuò)展不確定度評(píng)定規(guī)則，認(rèn)為上述標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度分量不相關(guān)，按照方和根合成，取

k

=2，則系統(tǒng)壓力輸出不確定度為0.05%。

檢測(cè)裝置溯源結(jié)果，溫濕度測(cè)量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和表3。

表2 溫度測(cè)量校準(zhǔn)結(jié)果

表3 濕度測(cè)量校準(zhǔn)結(jié)果

檢測(cè)裝置溯源結(jié)果，壓力測(cè)量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 壓力測(cè)量校準(zhǔn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

裝置基于嵌入式微處理系統(tǒng)，采用高精度壓力敏感器件作為系統(tǒng)核心單元，通過(guò)比例對(duì)閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)壓力信號(hào)，實(shí)現(xiàn)壓力、溫濕度及氣密性一體化測(cè)量；系統(tǒng)采用模擬與數(shù)字傳感器雙閉環(huán)壓力控制策略，提高了系統(tǒng)準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性；并針對(duì)不同保障對(duì)象的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)適配器，實(shí)現(xiàn)多方式校準(zhǔn)與檢測(cè)。