傳統(tǒng)校準(zhǔn)與現(xiàn)代數(shù)字式校準(zhǔn)方法探討

一、概述

壓力作為生產(chǎn)過程的重要參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)了十分重要的地位。精密壓力表和普通壓力表的計(jì)量校準(zhǔn)工作是量傳工作的主要組成部分。工礦企業(yè)和各級(jí)*都廣泛開展了壓力儀表的計(jì)量校準(zhǔn)工作。快速準(zhǔn)確的校準(zhǔn)精密壓力表和普通壓力表是經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的必然要求，我們以校準(zhǔn)精密壓力表為例，探討使用數(shù)字式壓力計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)精密壓力表和普通壓力表的校準(zhǔn)方法。

該方法的校準(zhǔn)記錄格式與傳統(tǒng)校準(zhǔn)記錄格式*相同。該校準(zhǔn)方法的理論基礎(chǔ)為基于數(shù)字式壓力計(jì)、精密壓力表和普通壓力表在微分區(qū)間內(nèi)是線性的。在此，我們對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證。

二、活塞式壓力計(jì)與數(shù)字式壓力計(jì)簡介

活塞式壓力計(jì)作為高準(zhǔn)確度計(jì)量儀器得到了廣泛的認(rèn)可，活塞式壓力計(jì)作為基準(zhǔn)的地位幾乎不可挑戰(zhàn)。活塞式壓力計(jì)是校準(zhǔn)精密壓力表和普通壓力表的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)器。活塞式壓力計(jì)是根據(jù)帕斯卡定律、流體靜力學(xué)平衡原理為基礎(chǔ)進(jìn)行壓力計(jì)量的。活塞式壓力計(jì)具有測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、結(jié)構(gòu)簡單、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。但是，活塞式壓力計(jì)也有它的局限性，活塞式壓力計(jì)實(shí)際上是固定值的標(biāo)準(zhǔn)壓力信號(hào)發(fā)生裝置，活塞式壓力計(jì)并不能測量壓力值。另外，活塞式壓力計(jì)有受溫度影響比較大、不易于攜帶、工作時(shí)需要調(diào)整水平和搬動(dòng)砝碼勞動(dòng)強(qiáng)度大等不足，并且，活塞式壓力計(jì)很難與計(jì)算機(jī)組成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量。

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)得到了的發(fā)展，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的壓力傳感器技術(shù)也得到了長足的進(jìn)步。西方發(fā)達(dá)國家在壓力傳感器的研制方面投入了巨大的人力、物力和財(cái)力。從壓力傳感器的選材到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件和微刻蝕技術(shù)的應(yīng)用，使壓力傳感器的性能有了質(zhì)的飛躍。各種不同敏感原理的壓力傳感器研究也取得了巨大的成就。壓力傳感器受溫度的影響大大減小，而壓力傳感器的穩(wěn)定性卻大大提高。同時(shí)，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的壓力傳感器信號(hào)處理技術(shù)更是突飛猛進(jìn)，高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)和低漂移運(yùn)算放大技術(shù)很好地保證了壓力傳感器的應(yīng)用。數(shù)字式壓力計(jì)就是壓力傳感器技術(shù)的一種應(yīng)用。數(shù)字式壓力計(jì)經(jīng)過二十多年的發(fā)展已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用。根據(jù)國外文獻(xiàn)報(bào)道，一些數(shù)字式壓力計(jì)的壓力測量指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到0.01%不確定度/年。國內(nèi)也早在上世紀(jì)八十年代就開展了數(shù)字式壓力計(jì)的研究，并且取得了豐碩的成果。目前，我們與*水平的差距主要體現(xiàn)在壓力傳感器生產(chǎn)工藝上。

三、用活塞式壓力計(jì)校準(zhǔn)精密壓力表和普通壓力表

現(xiàn)在以校準(zhǔn)精密壓力表為例，根據(jù)《彈簧管式壓力表和真空表》JJG49-1999國家規(guī)程，使用活塞式壓力計(jì)校準(zhǔn)精密壓力表的操作方法為：將精密壓力表按使用工作位置安裝在裝置上。精密壓力表示值誤差點(diǎn)應(yīng)不少于8個(gè)點(diǎn)；點(diǎn)盡可能在測量范圍內(nèi)均勻分布。時(shí)壓力從零位開始，應(yīng)平穩(wěn)升壓或降壓，對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行示值，當(dāng)示值達(dá)到測量上限后，切斷壓力源（或真空源），耐壓3分鐘，然后按原點(diǎn)平穩(wěn)地降壓或升壓回檢。在升壓或降壓時(shí)應(yīng)避免有沖擊和回程現(xiàn)象。對(duì)每一點(diǎn)在升壓或降壓時(shí)均應(yīng)該進(jìn)行兩次讀數(shù)，*次在輕敲表殼前讀取；第二次在輕敲表殼后讀取（按分度值的1/10估讀）。

下面，我們選取一塊編號(hào)是P0016的0.4級(jí)60MPa精密壓力表作為被檢儀表，為了減少活塞式壓力計(jì)引入的不確定度，我們選用一等活塞式壓力計(jì)做標(biāo)準(zhǔn)器。數(shù)據(jù)記錄如表一：

在上面的過程中，我們需要對(duì)精密壓力表進(jìn)行估讀。因?yàn)椋軌毫Ρ淼闹羔槻⒉灰欢ㄔ诳潭染€上，所以，我們估讀時(shí)很容易引入誤差，并且工作也不方便。

四、數(shù)字式壓力計(jì)校準(zhǔn)精密壓力表和普通壓力表

同樣執(zhí)行《彈簧管式壓力表和真空表》JJG49-1999國家規(guī)程，我們選用編號(hào)是1200056準(zhǔn)確度為0.05%F·S的數(shù)字式壓力計(jì)作為做傳遞計(jì)量器具對(duì)編號(hào)是P0016的0.4級(jí)60MPa同一塊精

密壓力表進(jìn)行校準(zhǔn)。在該校準(zhǔn)過程中，我們使用CST2000S-2精密壓力表軟件自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)并且進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)記錄如表二：

在上面的過程中，我們需將精密壓力表的指針調(diào)整到測量點(diǎn)的刻度線上，按下計(jì)算機(jī)的確定鍵，計(jì)算機(jī)通過RS232串行通訊口自動(dòng)從數(shù)字式壓力計(jì)讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)。在記錄數(shù)據(jù)時(shí)，我們按習(xí)慣將標(biāo)準(zhǔn)值記錄為整數(shù)點(diǎn)值而將被檢表值進(jìn)行計(jì)算后添入記錄，我們稱之為“反校法”。計(jì)算公式如下：

P=2PS-PM

P：  記錄中的記錄值

PS： 記錄中的標(biāo)準(zhǔn)值

PM： 對(duì)應(yīng)PS的數(shù)字式壓力計(jì)測量值

五、數(shù)字式壓力計(jì)的線性度檢驗(yàn)

雖然精密壓力表表盤分度在整個(gè)測量范圍內(nèi)不是線性的，但是在相鄰讀數(shù)刻度線測量范圍內(nèi)分度是線性的，根據(jù)《彈簧管式壓力表和真空表》JJG49-1999國家規(guī)程，我們在估讀精密壓力表時(shí)也是按線性考慮的。使用數(shù)字式壓力計(jì)進(jìn)行“反校法”工作時(shí)，我們默認(rèn)數(shù)字式壓力計(jì)在極小的測量區(qū)間內(nèi)是線性的。我們選用編號(hào)是1200056準(zhǔn)確度為0.05%F·S的數(shù)字式壓力計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以考察其線性。我們在一等活塞式壓力計(jì)的活塞連接件上添加質(zhì)量分別為2mg、5mg、10mg、20mg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，以便使一等活塞式壓力計(jì)產(chǎn)生不同的標(biāo)準(zhǔn)壓力。下面是我們在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)附近正向變化時(shí)的測量數(shù)據(jù)，記錄如表三：

從以上數(shù)據(jù)我們可以看出，在極小的測量區(qū)間內(nèi)，該數(shù)字式壓力計(jì)的線性變化不超過0.003%。

六、結(jié)論

數(shù)字式壓力計(jì)作為新興的傳遞計(jì)量器具已逐漸被人們接受，數(shù)字式壓力計(jì)具有小巧、通訊方便等很多優(yōu)點(diǎn)。特別是隨著校準(zhǔn)體系的推廣和校準(zhǔn)行為的現(xiàn)場化、自主化，0.05%F·S準(zhǔn)確度量級(jí)的數(shù)字式壓力計(jì)將有更大的應(yīng)用空間，因?yàn)樗鼈冎苯用鎸?duì)著產(chǎn)生過程儀表。

通過以上實(shí)驗(yàn)和分析，兩種標(biāo)準(zhǔn)器的校準(zhǔn)結(jié)果zui大相差0.1MPa，并且數(shù)字式壓力計(jì)具有很好的線性，另外，精密壓力表的準(zhǔn)確度也高于普通壓力表的準(zhǔn)確度。因此，在數(shù)字式壓力計(jì)滿足傳遞準(zhǔn)確度要求的情況下，我們使用“反校法”進(jìn)行精密壓力表和普通壓力表的校準(zhǔn)工作是可行的。