航天器地面模拟试验中压力变送器自动校准技术

宋瑞海，张书锋，王 欢，贾军伟，付文帅

（北京东方计量测试研究所，北京 100029）

0 引言

在航天器地面模拟试验中，压力计量测试主要应用于以下场合：1）动力系统的压力测试、检查与密封，如模拟器的充气，气瓶的气密性检查、置换和增压；2）地面辅助设备的压力测试和控制，如空调机组的压力测试与控制，洁净压缩空气、氮气、液氧、液氮制取设备上所涉及的各种压力的测试与控制[1]。在上述过程中使用到的所有压力测试仪表的准确性与可靠性都要通过定期的计量校准来保证。因此，压力测试仪表的计量校准工作是地面模拟试验的重要保障环节。

对于测量压力参数来说，工业上普遍采用变送器将压力转换成电流信号来传输模拟量。采用电流信号的原因是不容易受试验环境干扰，并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响信号质量，在普通双绞线上可以传输数百米。目前我们经常校准的为第二代压力变送器，负载电阻为0～ 350 kΩ（如DDE-111 系列），输出模拟直流电流信号4～20 mA。上限取20 mA 是考虑防爆的要求[2]，下限没有取0 mA 是为了能检测到数据传输线是否断路。

压力变送器的校准传统上是通过手动方式来完成的，校准过程中的操作环节多、工作效率低，很 容易引入人为误差。为了提高校准工作效率和测量精度，我们开发了一套压力变送器自动校准装置[3]。

1 自动校准装置的组成与工作原理

1.1 校准装置的组成

该装置主要由工控计算机系统、供气系统、压力控制器系统、数据采集系统、运动执行系统、被校准压力变送器及辅助设施等组成，如图1所示。

图1 压力变送器校准工作原理Fig.1 Block diagram of pressure transmitter calibration

1）工控计算机系统采用研华工控机，安装了LabVIEW8.6 软件和数据测控程序。

2）供气系统用氮气瓶并配以减压阀进行供气，提供校准所需压力的气体。

3）压力控制器系统将所供的气体按照设定的标准值进行输出，用于提供标准的压力源。

4）数据采集系统使用计算机和仪器设备的RS232 通信接口，由数据测控程序设定压力变送器的校准值。之后计算机按照RS232 接口通信协议，采集压力变送器对应的显示数值并保存，以方便校准证书的处理。

5）运动执行系统把压力标准值传给被检定的压力变送器，来实现校准。

1.2 压力自动校准过程

1）根据压力变送器的测量范围和精度，选择校准点的个数。应按量程基本均匀分布，一般包括上限值和下限值（或其附近10%输入量程以内）在内的不少于5个校准点。测量精度优于0.1级和0.05级的压力变送器应不少于9 个校准点。

2）根据输入压力对压力变送器输出下限值和上限值进行调整，使其与理论的下限值和上限值相一致，完成对压力变送器“零点”和“满量程”的校准。

3）校准前，把产品名称、型号规格、测量范围、准确度、测量点数分别输入到计算机的虚拟仪器测控软件中，然后开始正式校准。在计算机控制下，压力控制器从测量下限开始自动等间隔加压。当压力达到某个设定值并持续稳定2 s 后，压力控制器发出反馈信息给计算机，虚拟仪器软件程序读取被校准压力变送器的输出电流值；对此数据进行保存之后，计算机给压力控制器发出指令，开始进行下一个校准点的测试。当压力达到设定的测量上限后，虚拟仪器软件程序开始自动逐点减压反行程测量，直至回到零点完成一个循环。

4）测试结束后由虚拟仪器软件对数据进行处理得出校准结果，同时可由打印机打印出原始记录及校准证书。

2 虚拟仪器测控软件设计

虚拟仪器是基于计算机的仪器。LabVIEW 是一种图形化的编程语言（又称G 语言），是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受。作为一个标准的数据采集和仪器控制软件，LabVIEW 集成了数据采集卡的硬件驱动和GPIB、VXI、RS-232 和RS-485 通信协议的全部功能，还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。使用LabVIEW 开发平台编制的程序包括前面板、程序框图及图标/连线板3 部分。

用于压力变送器自动校准的虚拟仪器测控软件由压力标准装置控制模块、压力变速器信息设置模块、测量结果的数据处理模块、校准费计算和参数登记本生成模块这4 大模块组成。

2.1 压力标准装置控制模块

该模块通过计算机的串口来实现计算机与标准压力装置仪器的控制关系。首先编写串口程序，使用标准压力装置的串口命令，保证计算机和仪器设备之间的通信；然后根据设定点数和压力值，实现压力标准装置正行程自动加压和反行程自动卸压。避免了手动搬运砝码来进行加压和减压的过程，提高了工作效率。

2.2 压力变送器信息设置模块

该模块主要是提示用户输入待校准压力变送器的校准证书编号、型号规格、生产厂家、出厂编号、量程、精度、校准日期和实验室环境的温湿度，以及客户名称、地址和联系方式。根据精度要求设定校准点的个数，根据量程设定测量范围的上下限并选择压力校准单位（Pa、kPa、bar、torr 等）。

2.3 测量结果的数据处理模块

在该模块中设计嵌入了数据处理的方法，计算机将根据输入压力变送器的参数自动计算出各校准点的理论输出值，输入被校准压力变送器的检定结果数值并和计算机计算出的各校准点和理论输出值进行比较，依据JJG 882—2004《压力变送器检定规程》[4]，进行示值误差、回程误差、误差允许值的计算，在虚拟仪器前面板上显示测量结果并进行数据保存，然后自动生成校准证书和原始记录。减小了校准人员在处理数据过程中出现错误的概率，也提高了数据处理的效率。

2.4 校准费计算和参数登记本生成模块

在计量校准的过程中，为了方便校准费用的及时统计和便于以后查找某压力变送器的型号参数和校准日期，编写了此功能模块，进行数据保存，给管理人员带来方便。

3 校准实例

以上海振太仪表有限公司生产的压力变送器在实验室校准为例，测量的环境温度为19.2 ℃、相对湿度为18%。此压力变送器测量范围为0～120 kPa，输出电流范围4～20 mA，精度为0.5 级，编号为4-2167。根据JJG 882—2004，为了保证型号测试的需要，我们选择了6 个校准点，校准结果如表1所示。

表1 压力变送器校准结果Table 1 Calibration result of the pressure transmitter

根据精度要求可以得到，示值误差允许值为±(20.000-4.000)×0.5%= ±0.080 0 mA（表1中最大示值误差0.033 mA），满足检定规程的要求；回程误差允许值为±(20.000-4.000)×0.4%=±0.064 0 mA（表1中最大回程误差0.000 mA），满足检定规程的要求，符合0.5 级[5]。

4 结束语

本文所述校准装置采用计算机及虚拟仪器测控软件对压力控制器和数据采集及处理系统进行控制，实现了压力变送器的自动校准，提高了校准数据的精度和可靠性，同时也缩短了填写校准证书和原始记录的时间，提高了工作效率[6]。经过反复大量的试验证明，该装置运行稳定可靠，满足航天器地面模拟试验中对压力变送器校准的要求。

（References）

[1]赵本义, 王欣, 赵栋波.航天发射场加注系统压力传 感器在线检定方法[C]// 2003年导弹与航天器发射技术研讨会

[2]王正德, 赵菲菲.工业用4/20 mA 两线制变送器的设计[J].仪表技术, 2009(11)∶75-77 Wang Zhengde, Zhao Feifei.Design of industrial 4/20 mA two-wire transmitter[J].Instrumentation Technology.2009(11)∶75-77

[3]许屹晖, 樊玉富, 薛长生.压力传感器（静态）自动校准装置[J].航天器环境工程, 2005, 22(3)∶175-176 Xu Yihui, Fan Yufu, Xue Changsheng.Pressure transducer (static) automatic calibration device[J].Spacecraft Environment Engineering, 2005, 22(3)∶175-176

[4]JJG 882 2004 压力变送器检定规程[S], 2004-06-04

[5]张庆吉.压力变送器计量标准[J].中国仪器仪表, 2008(7)∶66-68 Zhang Qingji.Pressure transducer measurement criteria[J].China Instrumentation, 2008(7)∶66-68

[6]蒋雪峰.压力变送器智能检定装置的开发与应用[J].计量技术, 2003(11)∶44-45