PPC4压力控制器的研究与应用

2019-06-26冯齐斌章天霈张振彦

仪器仪表用户 2019年7期

冯齐斌，章天霈，张振彦

（上海市计量测试技术研究院，上海 201203）

PPC4是一款单机压力控制器，适用于设置和控制气体压力至一个封闭的容积，常见于压力测量仪器的校准和测试。PPC4的设计使其成为了最大通用性和易用性的高性能组合[1]。PPC4可装配一个低成本的实用传感器用于压力监测，或者装配一个或两个石英参考压力传感器，使其能够以非常低的测量不确定度来测量压力。压力控制是由一个基于数字控制电磁阀和差压调节器的专利气动模块实现的，PPC4可由用户使用前面板的显示屏、键盘和功能键进行本地操作控制，或者通过一台计算机利用RS232接口或IEEE-488.2接口采用ASCII字符命令串进行远程控制，测量上限最高可至14MPa，具有绝压、表压和负表压测量模式。

1 工作原理

PPC4被设计为有两种前面板本地界面配置。高级图形用户界面版本PPC4-ui通常用于台式应用；基本型PPC4的基本用户界面的功能有限，通常被用于计算机控制的应用，例如自动校准。远程通信通过RS232（COM1）或IEEE-488接口实现。每一PPC4出厂时都配有PPC4 Cockpit软件。PPC4 Cockpit软件通过RS232或USB端口与PPC4进行通信。PPC4 Cockpit软件的功能、外观和使用体验与高级用户界面完全一样，为用户提供了基本型PPC4和PPC4-ui的功能性和方便易用的界面[2]。

图1 动态压力控制图Fig.1 Dynamic pressure control diagram

图2 静态压力控制图Fig.2 Static pressure control diagram

图3 动态压力控制模式下的就绪/未就绪状态图Fig.3 Ready/not ready status diagram in dynamic pressure control mode

1.1 直接压力控制

直接压力控制键可直接手动控制PPC4压力的增大、减小和微调。按上键或下键使压力以高速率增大或减小。当未处于动态控制模式时，按上键或下键（基本界面时）会使压力以低速率增大或减小。在动态控制模式下，按上键或下键会使压力以固定量微调或步进。在压力控制作用期间，会使目标压力以固定量发生变化，每按一次步进一步。步长的约值是根据当前的有效PPC4量程自动设置的，可利用微调功能调整步进值[3]。

1.2 自动压力控制

PPC4的自动压力控制功能可自动将压力调整及控制至用户指定的某个目标值。在主工作屏幕中按SET键即可输入并执行一个压力控制目标值，按ESC键或SET键则中断当前的压力控制。在本地模式下时，发送一条远程命令也会中断压力控制。PPC4支持两种压力控制模式，以满足不同的压力设置和控制要求：动态和静态。当选择了某个量程或采用自动量程时，每种控制模式的压力控制参数均被自动设置为所选PPC4工作量程下的最佳默认值。控制参数包括：

Target Pressure（目标压力）用户指定的压力设置点。

Hold Limit（保持限值）目标值附近对称的正限值和负限值，在此范围内维持受控的压力。

Stability Limit（稳定限值）压力变化速率的限值，以压力/秒为单位，作为静态控制PPC4空闲时“就绪/未就绪”状态的标准[4]。

动态控制模式设计用于将压力设置为目标值并连续进行控制，使压力保持在保持限值范围之内并尽量接近目标值，这种控制模式的优点是最终达到的压力与目标值相同。控制误差的最大值等于保持限值，控制误差的平均值一般远远小于保持限值。在动态压力控制期间，保持限值是有效的。如果压力超出保持限值，就会发生未就绪状态。

静态控制模式设计用于将压力设置为接近目标值，然后停止主动控制，使压力自然稳定在保持限值范围之内。这种控制模式的优点是无需压力控制系统的介入即可在定义的目标值限值范围内设置和/或测量压力。在静态控制期间，保持限值是有效的。如果压力超出保持限值，就会发生未就绪状态，并且压力被调整至目标值[5]。

1.3 压力就绪/未就绪

PPC4前面板上提供了就绪/未就绪指示。该指示为用户提供了一个清晰、直观的标准，从而确定什么时间能够进行有效的压力测量。就绪/未就绪LED指示灯含义如下：

〈绿色〉压力就绪。表示PPC4要么是正在有效地控制压力，并且满足就绪状态标准；要么是PPC4并未在主动控制压力，而压力的变化速率在稳定限值范围之内。

〈黄色〉压力准就绪。PPC4正在通过精密压力控制主动控制压力，并且已经接近满足就绪状态的条件。

〈红色〉压力未就绪。要么是PPC4为空闲状态并且压力不满足稳定试验条件；要么是PPC4正在主动控制压力，但是尚不满足就绪状态的条件。

当压力控制不工作时：发生就绪状态时，没有控制阀动作，压力变化速率在稳定限值范围之内。稳定限值是以压力变化速率定义的，单位为“当前的压力单位/秒”。当压力控制工作时：判断就绪/未就绪状态的标准取决于当前的控制模式为静态控制还是动态控制。当采用自动量程或选择了控制模式时，压力就绪/未就绪参数被设置为默认值。

2 表压和负表压模式

图4 静态压力控制模式下的就绪/未就绪状态图Fig.4 Ready/not ready status diagram in static pressure control mode

PPC4本质上测量绝压，但是它们亦可用于表压和负表压测量模式。利用调零功能从Q-RPT的绝压测量读数中减去大气压值，即可实现表压测量模式。在表压或负表压测量模式下，只要PPC4处于卸压状态，测量程序即自动运行[6]。

在运行AutoZ和刷新Poffset,G值之间，大气压会发生变化，例如在不卸压而进行全面测试时。PPC4利用大气压动态补偿来修正大气压的变化。当执行AutoZ时，Poffset,G值则被确定了，PPC4的内置大气压计的读数Poffatm,0也会被记录。随后，当不再卸压时，大气压自上次Poffset,G被刷新以来的变化值ΔPatm就是当前大气压计读数Patm和上次执行AutoZ时的大气压计读数Patm,0之差。

大气压动态补偿功能利用ΔPatm，修正Poffset,G的值，从而总是实时补偿大气压的变化。（绝压）Q-RPT的表压测量功能可实现在表压和绝压测量模式之间的瞬时转换。表压模式下由于大气压动态补偿技术引起的任何附加不确定度是内置大气压计的分辨力和短期稳定度的函数，而与其绝压测量不确定度无关。该附加不确定度为±1Pa。

3 测量方式

PPC4可以设置当前量程的测量模式（绝压、表压或负表压），能够在多达3种不同测量模式间进行简单的一步式切换。

1）绝压：测量相对于真空（零为真正的真空）的压力，测量范围从绝压至满量程。

2）表压：测量相对于大气压的压力（零为大气压），测量范围从零至满量程。

3）负表压：测量相对于大气压的压力（零为大气压），压力值可为正或负，测量范围从1个负大气压至正满量程。

设置当前量程的自动压力控制模式、自定义控制参数、当前默认控制参数。控制（Control）功能可将当前量程的控制模式设置为动态或静态。控制模式附属于当前量程并在量程发生变化时随该量程保存。当利用Control功能选择了某个控制模式时，控制参数则自动被设置为当前量程的默认值。默认控制参数已经被设置为最适合典型用户保证PPC4的工作在压力控制和测量技术指标范围之内。每一PPC4的默认量程都有默认的参数，并且自动量程功能自动设置适合于自动量程的控制参数。在Control功能下可查看和自定义控制模式参数。自定义保持和稳定性控制参数会改变判断就绪/未就绪的条件。这可用来提高控制速度（缩短达到就绪的时间）。通常通过降低控制精度提高速度，或者提高精度通常会降低控制速度。