基于虚拟仪器的正弦动态压力校准技术研究

黄 莹 杨水旺 赵 博 郭洪岩 江 峰

(北京振兴计量测试研究所,北京100074)

基于虚拟仪器的正弦动态压力校准技术研究

黄 莹 杨水旺 赵 博 郭洪岩 江 峰

(北京振兴计量测试研究所,北京100074)

本文针对压力传感器动态校准需求,提出了一种基于虚拟仪器的正弦动态压力校准方法,设计了正弦动态压力校准系统,分别从总体设计方案、硬件配置及软件控制三方面进行介绍,然后对正弦动态压力校准系统进行试验及不确定度评定,结果表明该方法可行有效,可满足航空航天、工业领域中对压力动态测量要求。

压力传感器 动态校准 虚拟仪器

1 引 言

随着我国航空航天工业的快速发展,动态压力已广泛应用于工业生产和科研领域中。目前,在使用压力传感器前一般只进行静态校准,得到其静态性能参数,然而在实际应用中,压力传感器仅用于测量静态压力情况较少,因此需进行动态特性校准,根据动态性能参数判断压力传感器测量变化的压力系统能力,以满足航空航天、工业领域中对压力动态测量要求。

2 正弦动态压力校准系统

2.1 正弦动态压力校准系统原理

正弦动态压力校准系统组成如图1所示,系统主要由气源、气压减压器、电磁阀、动态压力发生器、电机及电机系统、数据采集卡、信号放大器等组成。正弦动态压力校准是一种相对法校准,采用出口调制式正弦压力发生器,将标准压力传感器与被校压力传感器对称齐平安装,使其感受相同压力[1]。通过气源、气压减压器及电磁阀给正弦动态压力发生器提供恒定压力。通过步进电机和三相异步电机带动正弦动态压力发生器转盘转动,并调节电机的转速来产生不同频率的正弦压力波。通过数据采集卡同步采集标准压力传感器和被校压力传感器的输出信号,分析、处理采集到的输出信号,从而得到被校压力传感器的幅频特性和相频特性。

2.2 硬件系统

2.2.1 电机及电机驱动系统

为实现正弦动态压力发生器产生0.1Hz～20kHz压力信号,压力传感器正弦动态校准系统采用两台电机分别进行控制,根据两台电机不同的运行速度对应正弦动态压力发生器产生不同频率的正弦压力波,利用三相异步电机中高速运动产生中高频(20Hz～20kHz)正弦动态压力波,利用步进电机低速运动产生低频(0.01Hz～20Hz)正弦动态压力波。

1)三相异步电机

三相异步电机是将交流电能转化为机械能来驱动转子盘运转和定位的一种电机,其利用交流电和定子线圈产生旋转磁场,根据电磁感应定律带动转子线圈转动。

三相异步电动机转速表达式为:

式中:n——转速;S——变转差率;f1——电源频率; P——变磁极对数。

因此,三相异步电机的调速方法有三种:变磁极对数P调速;变转差率S调速;变电源频率f调速。变电源频率调速可实现大范围无级平滑调速,调速后机械特性平行,硬度不变,带负载能力不变。本文选用变电源频率调速的方法,通过变频器输出0～10V的直流控制信号来控制三相异步电机的转速。

2)步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行元件,其运转由电脉冲信号控制,步进电机的角位移量与脉冲数成正比,每给一个脉冲,步进电机就转动一个角度。步进电机和步进电机驱动器构成了步进电机驱动系统,当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动固定的角度。通过改变脉冲输入频率可改变相应单位时间内电机转动的角度,从而实现控制步进电机运转速度的目的。

2.2.2 数据采集系统

压力传感器正弦动态校准系统需同时采集标准压力传感器和被校压力传感器输出信号,所以数据采集卡至少需2个数据采集通道。若数据采集卡不能同步采集数据而引起相位差,将直接影响校准结果。因此,数据采集卡需同步采集两路信号。按模拟信号转为数字信号表示时一个正弦波形至少需10个数据点才能被准确还原的原理,同时为尽可能提高校准准确度,要求一个正弦波形至少采集100～200个数据点进行数据分析,在设计时以一个正弦波采集200个数据点为依据选择数据采集卡[3]。根据正弦动态压力发生器产生的波形频率为(0.1～20k)Hz的指标,因此选择的数据采集卡的采样率应达到4MHz。

2.2.3 气源及调压系统

正弦动态压力校准系统的调压范围为(0～10) MPa,根据气源的最小压力应高于正弦动态压力波峰值的1.5～3倍的原则,选择供气压力为15MPa的氮气高压气瓶以得到稳定压力,并通过气压减压器达到减压目的。高压校准时,控制高压电磁阀给正弦动态压力发生器供气;低压校准时,控制低压电磁阀给正弦动态压力发生器供气。

2.3 软件系统

目前应用最广泛的虚拟仪器软件开发平台是NI公司的Labview平台,它是完全图形化的开发工具,具有使用方便、易于学习等特点,同时提供了丰富的人机界面开发控件和成熟稳定的PXI硬件驱动接口。

2.3.1 软件需求分析

根据正弦动态压力校准系统的要求,软件主要完成了以下任务:

1)在主界面进行压力传感器正弦动态校准系统的参数设置,包括传感器编号、频率设定值等;

2)数据采集控制模块实现电磁阀控制、电机控制、数据采集等功能;

3)数据分析模块对采集到的数据进行处理、分析,得到被校压力传感器的幅频特性及相频特性。

2.3.2 软件流程图

正弦动态压力校准系统软件流程图如图3所示。首先进行参数设置,其次系统运行,然后进行正弦压力调试。电机控制子程序开始运行,与此同时打开电磁阀给正弦动态压力发生器供气,数据采集卡开始同步采集数据并对信号频率进行分析,得到标准压力传感器感受到的压力信号的频率值,当此频率值等于设定频率值时,数据采集卡采集数据并进行记录,当此频率值小于设定频率值,则电机加速运行;当此频率值大于设定频率值时,电机减速运行;记录完成后关闭电磁阀且电机停止运行;同时对采集到的数据进行分析、处理、显示。完成以上操作后,结束试验。

2.3.3 虚拟仪器界面设计

压力传感器正弦动态校准系统的主界面即为系统控制界面,前面板如图4所示。

在该界面上完成传感器编号及频率值设定、电机转速自动控制、电磁阀控制以及数据采集功能,并实时显示采集到的压力波形。

3 正弦动态压力校准系统试验

将标准压力传感器与被校压力传感器安装在正弦动态压力发生器齐平对称的安装位置处,调节正弦动态压力发生器的进口压力为2MPa,当压力值稳定后,设置压力变化频率,得到压力为2MPa时各频率点的测量数据,见表1。

表1 设定压力为2MPa时各频率点的测量数据

正弦压力发生器的压力值由供气压力值确定。保持频率一定,调节减压调节器控制压力大小。当压力小于1MPa时,采用低压电磁阀控制气路通断,当压力大于1MPa时,采用高压电磁阀控制气路通断。将频率设为1kHz,被校压力传感器在各压力值点的测试数据,见表2。

当压力传感器正弦动态校准系统加压至2MPa时,打开电磁阀,通过观察安装在压力室入口处的数字压力计的压力值判断系统稳定性。试验数据见表3,根据试验结果,压力室入口压力值稳定性符合要求。

表3 压力室稳定性试验数据

将标准压力传感器与被校压力传感器对称齐平安装在正弦压力发生器两端,在给定进气压力不变的情况下,调节压力发生频率,得出被校压力传感器的测试数据,见表4。

表4 不同频率下被校传感器测试数据

4 不确定度评定

压力传感器正弦动态校准系统主要用于校准动态压力传感器的幅值灵敏度和相移,校准结果的可信度可通过测量不确定度来表征。

4.1 建立数学模型

4.1.1 幅值灵敏度

在确定的频率点下,被校压力传感器的幅值灵敏度为:

式中:U——被校压力传感器的测量电压;P——被校传感器的压力幅值;Ub——标准压力传感器的测量电压;Kb——标准压力传感器的幅值灵敏度。

由于式(1)中的U,Ub,Kb互不相关,所以被校压力传感器的幅值灵敏度的标准不确定度为:

被校传感器的幅值灵敏度的相对标准不确定度为:

4.1.2 相移

在确定的频率点下,被校压力传感器的相移为:

式中:φ——被校压力传感器输出的相位值;φb——标准压力传感器输出的相位值[5]。

由于式(4)中的φ、φb互不相关,所以被校压力传感器的相移的标准不确定度为:

4.2 幅值灵敏度测量不确定来源

1)标准压力传感器引入的不确定度分量

标准压力传感器幅值灵敏度的测量不确定度为1%,k=2,所以标准压力传感器引入的幅值灵敏度不确定度分量为urel(Kb)=1%/2=0.5%。

2)数据采集引入的不确定度分量

3)信号调理引入的不确定度分量

4)计算方法引入的不确定度分量

计算方法引入的幅值灵敏度不确定度分量为urel(Ub3)≈0.23%。

5)测量重复性引入不确定度分量

测量重复性引入不确定度分量为urel(c)=0.56%。

6)正弦压力发生器中传感器安装位置不同引入的不确定度分量

由于以上各不确定度分量各不相关,因此合成相对标准不确定度为:

因此,当k=2时,幅值灵敏度的相对扩展不确定度为Urel(K)=k·urel=1.7%。

4.3 相移测量不确定度来源

1)标准压力传感器引入的不确定度分量

标准压力传感器相位的测量不确定度为1°, k=2,标准不确定度为u(φb)=1°/2=0.5°。

2)数据采集引入的不确定度分量

3)信号调理引入的不确定度分量

4)计算方法引入的不确定度分量

计算方法引入的相移不确定度分量为u(φb3)≈0.01°。

5)测量重复性引入的不确定度分量

测量重复性引入不确定度分量为 u(Δφc) =0.14°。

6)正弦压力发生器中传感器安装位置不同引入的不确定度分量

由于以上各不确定度分量各不相关,因此合成相对标准不确定度为:

当k=2时,相移的扩展不确定度为U(Δφ)= 2×u(Δφ)=1.2°。

5 结束语

本文采用正弦动态压力发生器,提出一种基于虚拟仪器的正弦动态校准系统方案,利用步进电机和三相异步电机带动正弦动态压力发生器的转盘转动,通过调节电机转速产生不同频率的正弦压力波,通过数据采集卡同步采集标准压力传感器和被校压力传感器输出信号,经分析处理后可获得被校压力传感器幅频特性和相频特性。

[1] 刘向阳,方继明.正弦压力发生器在传感器动态校准中的应用[J].传感器技术,2001(3):36～38.

[2] JJG 624—2005,动态压力传感器检定规程[S].

[3] 王德兵.正弦压力试验装置的组建[J].计测技术, 2009,29:36～39.

[4] 陈树学,刘萱.Labview宝典[M].北京:电子工业出版社.

[5] 中国计量测试学会压力计量专业委员会.压力测量不确定度评定实例[M].中国质检出版社,2012.

Research on Sinusoidal Dynamic Pressure Calibration based on Virtual Instrument

HUANG Ying YANG Shui-wang ZHAO Bo GUO Hong-yan JIANG Feng
(Beijing Zhenxing Institute of Metrology and Measurement,Beijing 100074,China)

According to the dynamic calibration needs of pressure transducer,a method of sinusoidal dynamic pressure calibration based on virtual instrument is proposed.The system of sinusoidal dynamic pressure calibration based on Labview is designed in this paper,including overall design schemes,hardware configuration and software control.This paper also performs a test on the system of sinusoidal dynamic pressure and gives the uncertainty evaluation.The result shows that the method is feasible and effective and it meets the need of dynamic pressure measurement in aerospace and industrial areas.

Pressure transducer Dynamic calibration Virtual instrument

1000-7202(2017)01-0055-05

TP74.5

A

2016-07-12,

2017-01-25

黄莹(1991-),女,助理工程师,主要研究方向:力学计量校准技术。