航空工艺技术
AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY
1999年　第4期　No.4




一种高量程压力传感器自动校准装置的设计
Design of Automatic Calibration Device for 
High Range Pressure Transducer
颜国清
　　［摘要］　介绍了一种高量程压力传感器(压力表)自动校准装置的系统原理及设计难点。
　　关键词： 高量程　压力传感器　自动校准
　　［ABSTRACT］　The systematic principle and difficult point of the design of the automatic calibration device for high range pressure transducer (pressure gauge) are introduced.
　　Keywords: High range　Pressure transducer　Automatic calibration
　　多年来对于高量程压力传感器的校准，人们大多采用活塞式压力计。这种方法需要人工搬运砝码、人工读数、手工计算，不仅效率低、劳动强度大，而且耗费人力物力。国内外市场有一些自动校准设备，但由于其压力介质采用气体，只能解决0～20?MPa范围内的压力传感器的自动校准问题。所以，长期以来人们需要一种用于高量程压力传感器的自动校准装置。
　　YZX-500装置是我厂用两年多时间研制成功的，用于压力传感器自动校准的机电一体化设备，可以解决1～50?MPa范围内压力传感器静态特性的自动校准，不仅校准范围宽，而且解决了高量程压力传感器的自动校准的难题。它采用计算机实现自动加压、数据采集、数据处理以及数据打印的全自动过程，并且可同时校准10个压力传感器。此装置通过航天部部级成果鉴定，认为其原理正确、结构合理、设计先进，目前已经投入使用，运行可靠。
1　系统原理
　　系统包括计算机、A/D转换器、脉冲发生器、定时器插卡、电器变换箱、步进电机、步进电机驱动器、机械传动机构、压力容器、标准传感器等部分。其结构原理图如图1所示。
　　解决高量程压力传感器的自动校准，主要是解决大量程自动加压的问题。本装置通过计算机控制脉冲发生器，驱动步进电机，带动机械传动机构，压缩压力容器内的液体产生压力，提供给标准压力传感器和被校压力传感器。电器变换箱将压力传感器信息转换成0～5?V电压信号，送给A/D转换器。A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，送到计算机中。配备5?MPa,25?MPa,50?MPa三种量程的标准压力传感器，用于不同量程传感器的校准。

图1　YZX-500装置的结构原理图
Fig.1　Scheme of YZX-500 device structure
　　校准时，首先选择合适量程的标准压力传感器，将标准传感器在校准点的电压值编成数据文件，输入到计算机中。计算机采集标准传感器信号，与校准点的电压值比较，其差值按照模糊控制算法控制步进电机的转速与方向，通过改变压力容器内液体的体积，调整压力值。当差值在允许误差范围内时，再采集被校传感器数据。其控制结构如图2所示。

图2　YZX-500装置的控制结构图
Fig.2　Scheme of YZX-500 device control

图3　程序流程图
Fig.3　Program flow chart
2　设计难点
　　由于国内外没有类似的技术可以参考借鉴，在产生高压和压力控制的设计上存在一定的难度。
　　(1)加压装置的设计　为了产生50?MPa的压力，采用压缩密闭容器内液体的办法，用步进电机带动蜗轮蜗杆减速器，蜗轮上装有滚珠丝杠，采用螺母主动、螺杆从动，螺杆沿直线运动，使压力容器内液体的体积发生变化，从而产生压力。
　　为了精确控制压力，采用了五相十拍的步进电机(其步距角为0.36°)和减速比为80的蜗轮蜗杆减速器，使其调整距离达到0.000?1?mm/步，压力单步精度达到166?Pa/步。
　　(2)控制算法的设计　由于环境温度的变化，造成液压油的泄漏、液压油体积的变化、油压的非线性、水击现象等一系列因素，使此套装置具有强烈的非线性、时变、多变量耦合的特点。若采用经典控制或现代控制，建立数学模型相当困难，控制精度很低。选用模糊控制对压力容器内部的压力进行控制，解决了非线性、时变、多变量耦合问题，达到了最佳PI控制效果。
　　采用模糊控制必须首先积累经验。先用人取代计算机，用手轮取代电机，进行人工加压。试验中，得到了不同压力量程加压过程的经验数据，把数据输入到计算机中，再采用计算机进行自动控制。其程序流程图如图3所示。
　　(3)抗干扰的设计　本装置存在两个主要干扰：步进电机产生的高频脉冲干扰和50?Hz工频干扰。这两种干扰源叠加起来严重地影响了采样精度和系统的稳定性。可以采用两种滤波方式：硬件滤波和软件滤波。由于硬件滤波参数不容易调整，并且采样通道较多，每个通道都采用硬件滤波成本较高，所以本装置采用了软件抗干扰措施，先用一阶惯性数字滤波除掉高频脉冲干扰，然后用双积分数字滤波除掉50?Hz干扰，成功地滤掉两种干扰源，提高了采样精度。
　　(4)软件的设计　本装置软件采用Borland C+　+3.1 for Windows 3.1编制，具有鼠标驱动，图形按钮操作，实时显示数据、压力曲线的功能。由于Windows 3.1操作系统是非抢占式多任务，所以无法用软件延时或软时钟来准确地确定时间间隔，这样，步进电机的脉冲频率与采样频率不准确。为此采用一块定时器插卡，进行硬件定时中断，准确地控制步进电机的转速和采样频率，使步进电机运转平稳。
3　结束语
　　(1)通过对结构、控
制系统、系统抗干扰的精心设计，精度优于0.1%，可以对1～50?MPa范围内的压力传感器、压差传感器、压力仪表进行校准。
　　(2)此装置在石油、电厂、压力传感器及压力仪表生产厂家及计量部门等都有广泛的应用。
　　(3)本装置软件采用Borland C++3.1 for Windows 3.1编制，界面友好，有多种对话窗口，操作方便。
作者单位：　航天部一院总体设计部
