空盒氣壓表檢定壓力控制器的設計及應用

茅曉晨

（上海市計量測試技術研究院，上海 201203）

空盒氣壓表檢定設備可以實現氣壓示值和溫度系數的自動檢定，提高儀表檢定、校準的工作效率以及操作準確度，簡化計量工作流程，降低工作強度。

1 空盒氣壓表檢定

1.1 動作過程

壓力控制的動作過程為：設備啟動時真空泵、DT1高壓電磁閥、DT2低壓電磁閥都給電。泵的DT1高壓電磁閥用于給后端增加壓力，而DT2低壓電磁閥用于給后端減小壓力。需要注意的是，高壓和低壓兩側各有一個節流閥，分別用來調節正負氣壓流量的（規程要求5hPa/min），氣體流量的大小直接影響氣壓室的壓力值精度和穩定性[1]。

圖1 示值檢定箱氣動原理圖Fig.1 Aerodynamic schematic diagram of the display value verification box

1）當箱內氣壓＜檢定點氣壓時，真空泵對DT1高壓電磁閥加壓，當箱內氣壓達到預先設定的高壓緩沖罐氣壓時（略高于檢定點），真空泵和DT1高壓電磁閥斷電，同時打開DT3高壓穩定閥，使得高壓緩沖罐和箱內氣壓相通，以調節箱內氣壓。當箱內氣壓達到設定點時，使DT3高壓穩定閥關閉，箱內進入保壓階段，達到一定時間后進行電磁鐵敲擊，再進行送檢空盒氣壓表讀數。

2）當箱內氣壓＞檢定點氣壓時，真空泵對DT2低壓電磁閥減壓；當箱內氣壓達到預先設定的低壓緩沖罐氣壓時（略低于檢定點），真空泵和DT2低壓電磁閥斷電，同時打開DT4低壓穩定閥，使得低壓緩沖罐和箱內氣壓相通，以調節箱內氣壓。當箱內氣壓達到設定點時，使DT4低壓穩定閥關閉，箱內進入保壓階段，達到一定時間后進行電磁鐵敲擊，再進行送檢空盒氣壓表讀數。

1.2 控制變量

根據圖1所示的檢定箱氣動原理圖，可以整理歸納出要控制的節點類型[2]。

DO1：真空泵繼電器

DO2：DT1高壓閥繼電器

DO3：DT2低壓閥繼電器

DO4：DT3高壓穩定閥繼電器

DO5：DT4低壓穩定閥繼電器

DO6：電磁鐵繼電器（手動）

圖2 檢定系統軟件界面圖Fig.2 Software interface diagram of verification system

AI1：高壓緩沖罐壓力傳感器

AI2：低壓緩沖罐壓力傳感器

AI3：氣壓箱壓力傳感器

AI4：氣壓箱溫度傳感器

AI5：氣壓標準器（mA或者232輸出）

檢定設備可對3種氣壓儀器進行檢定：

1）空盒氣壓表，包括平原空盒表（800 hPa～1050hPa）檢定點依次為：1050、1010、960、910、860、810、800、810、860、910、960、1010、1050，共13個檢定點。高原空盒表（500hPa～1050hPa），檢定點依次為：1050、1010、960、910、860、810、760、710、660、610、560、510、500、510、560、610、660、710、760、810、860、910、960、1010、1050，共25個檢定點。

2）空盒氣壓計，檢定過程同樣是高壓至低壓再至高壓（900hPa～1050hPa），檢定點依次為：1050、1010、960、900、960、1010、1050，共7個檢定點。

3）振筒類氣壓儀，檢定裝置預留了多個機械分支口與氣壓箱相通以放便檢定連接。

因此，控制系統與檢定點對應的變量表包括：m總檢定點數、n換向點數、P[m]逐個檢定點氣壓值。由于被檢氣壓表沒有電信號接口，需要人工輸入各個被檢表的示值。

1.3 溫度系數

空盒氣壓表附屬溫度表標度范圍為-11.0℃～41.0℃，最大允許誤差為±1.0℃。溫度系數Kt用公式求出：

Kt=（?P1-?P2）/（t1-t2）（hPa/℃，取兩位小數）

圖3 開環控制圖Fig.3 Open-loop control chart

圖4 閉環控制圖Fig.4 Closed-loop control chart

圖5 控制過程圖Fig.5 Control process diagram

式中：?P1在高溫點，標準氣壓值和空盒氣壓表、空盒氣壓計氣壓示值的氣壓差值，hPa；?P2在高溫點，標準氣壓值和空盒氣壓表、空盒氣壓計氣壓示值的氣壓差值，hPa；t1高溫點的溫度值，℃；t2低溫點的溫度值，℃。具體溫度系數的數值要求范圍見《JJG272-2007空盒氣壓表和空盒氣壓計檢定規程》表1中的內容[3,4]。

圖6 寄存器設置圖Fig.6 Register setup diagram

2 PID控制原理

PID控制包括定位點設置、偏差計算、比例控制、積分控制和微分控制。PID控制算法包括IND和ISA兩種方式：

dt是測量時間，Derivative是導數值，可以為（當前誤差-以前誤差）/dt，也可以配置為（當前測量值-以前測量值）/dt，Ti是積分時間，Td是微分時間。K是按PVstep/Cvstep計算開環增益。Kp是比例增益，最終反饋給系統的錯誤值的數量。Ki是積分增益，時間越快，積分部分的增益就越大。Kd是導數增益，表示有多少變化率反饋給系統。SP是設定點，為需要達到和維護的值。PV是過程變量，為過程的測量輸出的壓力值。CV是控制變量，將PID函數應用于控制過程的結果，而這個值包含比例、積分、微分和偏置的分量[5]。

IND方式采用標準PID算法，調節效果更精確，適用于專家級或精度要求嚴格的項目。而ISA方式調節簡單、快速，但精度效果一般，適用于初級應用或精度要求一般的項目。在一些典型的工業過程控制中，往往需要控制一個過程參數，如溫度或壓力值，可以應用開環控制。

圖7 PID功能模塊調用梯形圖Fig.7 PID Function module call trapezoidal diagram

在這樣的系統中，控制器接收來自用戶的設定值。然后控制器生成一個值再發送，稱為控制變量。而所需的參數是流程變量，它根據流程控制器發送的值進行更改。流程控制器無法確定流程是否實際生成了正確的流程變量[6]。

在要求響應速度的許多情況下，這就足夠了。但這些假設往往是不正確或不準確的。大多數過程控制系統使用閉環反饋，也做閉環系統。動作的控制器稱為比例控制器。實際上，誤差實際上是全范圍誤差的一部分（通常用百分比表示）。控制過程需要更長的時間，但是完全控制更準確。圖5僅為比例控制下的典型過程。

PID功能塊地址、期望值寄存器地址、過程值寄存器地址、控制值寄存器地址、手動控制寄存器地址、手動上升寄存器地址、調節參數設置選項、自學習功能選項、手動下降寄存器地址。

3 結論

研究了空盒氣壓表氣壓示值誤差和溫度系數的檢定過程，依據示值檢定箱執行機構的氣動工作原理，整理出控制方案，空盒氣壓表檢定設備可以實現氣壓示值和溫度系數的自動檢定，提高了儀表檢定/校準的工作效率。