關(guān)于改良比較法中頻智能壓力變送器的研究

1 引言

本文介紹的一種自主研發(fā)的振動(dòng)校準(zhǔn)分析系統(tǒng)，可完成對(duì)加速度傳感器、振動(dòng)速度傳感器以及智能壓力變送器的校準(zhǔn)工作。隨著該測(cè)試系統(tǒng)的持續(xù)研究調(diào)試，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)測(cè)量疑難點(diǎn)進(jìn)行了縝密的分析及改進(jìn)，非常終形成了一套可行的研究方案。該方案能夠有效提高測(cè)量準(zhǔn)確度，同時(shí)也能夠大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高智能壓力變送器的校準(zhǔn)工作效率。

2 智能壓力變送器校準(zhǔn)裝置原理

2.1 硬件基本結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)方案由標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)、電荷放大器、激振器、功率放大器、激勵(lì)控制器（數(shù)據(jù)采集器）和計(jì)算機(jī)等組成。裝置的基本原理包括：以比較法進(jìn)行檢定，將被檢傳感器與標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)背靠背螺栓剛性連接，通過(guò)在計(jì)算機(jī)控制軟件輸入所需幅值和頻率的參數(shù)，控制器產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，功率放大器接收信號(hào)指令，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生相應(yīng)幅值和頻率的振動(dòng) 。臺(tái)面上安裝的標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)電荷放大器將電荷轉(zhuǎn)換成振動(dòng)值，輸出至控制器，以深度負(fù)反饋放大電路實(shí)現(xiàn)振動(dòng)量級(jí)和頻率的閉環(huán)控制。振動(dòng)幅值穩(wěn)定后，被檢智能壓力變送器輸出值與標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)輸出值經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算得出示值誤差。原理所示。

2.2 軟件整體邏輯

為提高整體工作效率，降低人為誤差，本系統(tǒng)采用全自動(dòng)校準(zhǔn)，預(yù)先輸入標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)、被校準(zhǔn)傳感器參考靈敏度，校準(zhǔn)點(diǎn)頻率、幅值等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，采集標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī) PID 閉環(huán)控制激振器振幅、頻率，達(dá)到目標(biāo)值范圍內(nèi)，保持動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器測(cè)得的被校準(zhǔn)傳感器將輸出至中計(jì)算，得到幅值靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值線性度等參數(shù)，非常后自動(dòng)輸出報(bào)告。系統(tǒng)能自動(dòng)存儲(chǔ)相關(guān)校準(zhǔn)參數(shù)選項(xiàng)卡，根據(jù)儀表的出廠編號(hào)，下次校準(zhǔn)時(shí)能直接調(diào)用，并能存儲(chǔ)單個(gè)傳感器的測(cè)量誤差趨勢(shì)，以方便鑒別潛在不合格的測(cè)量傳感器。

3 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

上述基本方案能夠?qū)崿F(xiàn)加速度傳感器、磁電式速度傳感器全自動(dòng)校準(zhǔn)，很大程度上提高了工作效率，針對(duì)引言中提出的需求，本文將從研究方案中以下四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行闡述：

①智能壓力變送器靜態(tài)指標(biāo)全自動(dòng)快速校準(zhǔn)；

②多支傳感器同時(shí)校準(zhǔn)、多種安裝角度工況模擬、溫度工況模擬，全自動(dòng)校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)；

③不同類型傳感器混合校準(zhǔn)；

④降低標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組靈敏度誤差引入的不確定度分量，提高系統(tǒng)測(cè)量精度。

3.1 智能壓力變送器靜態(tài)指標(biāo)全自動(dòng)快速校準(zhǔn)

全自動(dòng)智能壓力變送器靜態(tài)校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)所示。計(jì)算機(jī)作為中央控制單元，將輸入的測(cè)量點(diǎn)信號(hào)輸出至驅(qū)動(dòng)電機(jī)以控制其旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)精密絲杠螺旋傳動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)，使得動(dòng)光柵移動(dòng)，從而得到光柵位移信號(hào)。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集器采集的被校準(zhǔn)傳感器電壓信號(hào)、光柵位移信號(hào)和壓電傳感器接觸信號(hào)，將位移信號(hào)和壓電傳感器接觸信號(hào)反饋給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以控制其減速和停止。電壓信號(hào)在計(jì)算機(jī)中參與非常小二乘法計(jì)算得到零值誤差、傳感器靈敏度、重復(fù)性、線性度和回程誤差。

被檢傳感器安裝在夾持架上，點(diǎn)擊開始校準(zhǔn)后，計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，使得測(cè)量盤靠近傳感器，接觸時(shí)，測(cè)桿輕微的機(jī)械變形會(huì)觸發(fā)壓電元件產(chǎn)生電信號(hào)，計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)到此電信號(hào)，即停止測(cè)桿移動(dòng)，測(cè)出傳感器的輸出信號(hào)，再與滿量程時(shí)傳感器的輸出信號(hào)（測(cè)量盤距離傳感器足夠遠(yuǎn)時(shí)測(cè)得的電壓信號(hào)）之比，即為傳感器的零值誤差。

零值誤差、靜態(tài)靈敏度、靜態(tài)幅值線性度、回程誤差、幅值重復(fù)性校準(zhǔn)過(guò)程均為全自動(dòng)模式。按照 JJG 644—2003《智能壓力變送器檢定規(guī)程》相關(guān)要求 [8] ，將公式寫入軟件計(jì)算，僅需安裝好傳感器，在計(jì)算機(jī)中輸入所需校準(zhǔn)的項(xiàng)目和對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)，點(diǎn)擊開始按鈕后，計(jì)算機(jī)即可發(fā)出移動(dòng)信號(hào)指令，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，帶動(dòng)精密絲杠傳動(dòng)副旋轉(zhuǎn)，通過(guò)光柵尺測(cè)得的位移量反饋至計(jì)算機(jī)軟件，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，目標(biāo)值后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，采集位移傳感器輸出電壓值。非常后所得的所有數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)軟件中自動(dòng)計(jì)算并輸出報(bào)告。

整個(gè)過(guò)程自動(dòng)化程度非常高，且采用的光柵位移測(cè)量裝置精度較傳統(tǒng)的千分尺精度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，能有效降低標(biāo)準(zhǔn)器及人為因素引入的測(cè)量不確定度。

3.2 不同類型、多支傳感器同時(shí)校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

新型測(cè)試分析系統(tǒng)硬件示意圖所示，本設(shè)計(jì)方案所述的校準(zhǔn)裝置包括頻率發(fā)生器、功率放大器、多通道電荷放大器、多通道數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、被校準(zhǔn)位移傳感器、位移傳感器測(cè)量板面、被校加速度或速度傳感器、標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器、位移傳感器固定支架、校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)、機(jī)柜，此外還包括外置的恒溫恒濕箱。本裝置還可通過(guò)傾角傳感器及控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)角度，從水平至垂直任意方向模擬現(xiàn)場(chǎng)任意安裝角度。

當(dāng)裝置開始工作時(shí)，頻率發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正弦振動(dòng)量經(jīng)過(guò)功率放大器將信號(hào)放大后傳遞到校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)，使得校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)按照設(shè)定的頻率和幅值沿著垂直方向振動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器內(nèi)置安裝在臺(tái)面的中心和周圍間隔 90度均布的四個(gè)位置，在臺(tái)面上對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)位置設(shè)置 5個(gè)傳感器安裝孔，在 4 個(gè) 90 度傳感器安裝孔間隔 45 度方向設(shè)置 4 個(gè)位移測(cè)量板面安裝孔。

將被校準(zhǔn)的速度或加速度傳感器安裝在臺(tái)面的 5 個(gè)安裝孔，安裝好位移傳感器測(cè)量板面，并將位移傳感器安裝在專用固定臺(tái)架上。標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器輸入端與多通道電荷放大器連接使得信號(hào)放大后再連接到多通道數(shù)據(jù)采集器的第一至五通道。被校速度或加速度傳感器輸出端與多通道數(shù)據(jù)采集器的第六至十通道連接。將采集到的標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器和被校速度或加速度傳感器電壓信號(hào)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行對(duì)比分析和顯示，以得到被速度或校加速度傳感器的靈敏度、頻響曲線和幅值線性度，完成多個(gè)速度或加速度傳感器靈敏度的校準(zhǔn)。

被校準(zhǔn)位移傳感器的輸出端與數(shù)據(jù)采集器的第十一至十五通道連接，數(shù)據(jù)采采集器對(duì)被校準(zhǔn)位移傳感器檢測(cè)的輸出信號(hào)進(jìn)行采集，計(jì)算機(jī)將輸出電信號(hào)轉(zhuǎn)化成位移信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算，得到被校準(zhǔn)位移傳感器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。

其中標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器中，僅中心位置的一支傳感器作為“監(jiān)測(cè)、控制、計(jì)算”傳感器，即在系統(tǒng)運(yùn)行期間，該傳感器功能為：

①監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)幅值；

②到達(dá)設(shè)定點(diǎn)有效范圍內(nèi)時(shí)，以該傳感器輸出值為反饋，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)幅值；

③與安裝在中心位置的被校準(zhǔn)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。周圍均布的 4 支標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器只作為“監(jiān)測(cè)、計(jì)算”傳感器。

在智能壓力變送器校準(zhǔn)測(cè)量不確定度分量中，臺(tái)面均勻度誤差引入的不確定度分量貢獻(xiàn)顯著，本文介紹的標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器分布、工作方式，由于每支被校準(zhǔn)傳感器軸線均在標(biāo)準(zhǔn)傳感器軸線上，標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被測(cè)傳感器均為背靠背連接方式，能夠得到有效監(jiān)測(cè)，所以能夠有效消除振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面均勻度誤差引入的測(cè)量不確定度分量。

3.3 降低標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組靈敏度誤差引入的不確定度分量

標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組的靈敏度作為重要參數(shù)，直接決定了校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置中，將檢定證書提供的標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組參考點(diǎn)靈敏度輸入計(jì)算機(jī)中，作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行參考靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值線性度項(xiàng)目校準(zhǔn)。顯然，標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)也有頻率響應(yīng)誤差、幅值線性度誤差，在計(jì)算不確定度分量時(shí)，并沒有將檢定證書給出的各校準(zhǔn)點(diǎn)靈敏度帶入計(jì)算式中，純以參考點(diǎn)靈敏度作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，因此，在測(cè)量結(jié)果中會(huì)引入靈敏度誤差。

本方案中，該誤差通過(guò) C++軟件設(shè)計(jì)修正使之有效降低：預(yù)先在計(jì)算機(jī)中輸入檢定證書中給出的標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組參考靈敏度、各頻率響應(yīng)校準(zhǔn)點(diǎn)靈敏度、各幅值線性度校準(zhǔn)點(diǎn)靈敏度。在校準(zhǔn)過(guò)程中，以非常接近各校準(zhǔn)點(diǎn)的靈敏度作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，帶入計(jì)算式中。該方法能夠獲得標(biāo)準(zhǔn)傳感器在非常接近每個(gè)測(cè)點(diǎn)的真實(shí)靈敏度，從而降低由其引入的不確定度分量。

3.4 不同工況下傳感器的校準(zhǔn)比對(duì)

在線智能壓力變送器現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)溫度與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)溫度差別較大，通過(guò)上述外置恒溫恒濕箱，可分析傳感器在不同溫濕度情況下的幅值線性及頻率響應(yīng)特性。通過(guò)內(nèi)置的傾角傳感器，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)臺(tái)面傾斜角度的自由控制，適用于現(xiàn)場(chǎng)不同安裝形式的各類傳感器，如 GME 軸振瓦振探頭。此外，該套系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)了儲(chǔ)存功能，對(duì)同一出廠編號(hào)的探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤，可在下次校準(zhǔn)時(shí)導(dǎo)出，進(jìn)行振動(dòng)探頭的誤差表現(xiàn)跟蹤，便于鑒別潛在不合格的智能壓力變送器。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所述的比較法全自動(dòng)智能壓力變送器的方案，可以實(shí)現(xiàn)不同類型、多支傳感器同時(shí)校準(zhǔn)，在相同工況下比對(duì)若干數(shù)量的被測(cè)智能壓力變送器。通過(guò)若干專利裝置能夠大幅提高校準(zhǔn)效率、提高校準(zhǔn)精度。該套系統(tǒng)功能覆蓋了大部分類型振動(dòng)測(cè)量?jī)x表的校準(zhǔn)需求，應(yīng)用前景較為廣闊。