PPC4壓力控制器的研究與應用

馮齊斌，章天霈，張振彥

（上海市計量測試技術研究院，上海 201203）

PPC4是一款單機壓力控制器，適用于設置和控制氣體壓力至一個封閉的容積，常見于壓力測量儀器的校準和測試。PPC4的設計使其成為了最大通用性和易用性的高性能組合[1]。PPC4可裝配一個低成本的實用傳感器用于壓力監測，或者裝配一個或兩個石英參考壓力傳感器，使其能夠以非常低的測量不確定度來測量壓力。壓力控制是由一個基于數字控制電磁閥和差壓調節器的專利氣動模塊實現的，PPC4可由用戶使用前面板的顯示屏、鍵盤和功能鍵進行本地操作控制，或者通過一臺計算機利用RS232接口或IEEE-488.2接口采用ASCII字符命令串進行遠程控制，測量上限最高可至14MPa，具有絕壓、表壓和負表壓測量模式。

1 工作原理

PPC4被設計為有兩種前面板本地界面配置。高級圖形用戶界面版本PPC4-ui通常用于臺式應用；基本型PPC4的基本用戶界面的功能有限，通常被用于計算機控制的應用，例如自動校準。遠程通信通過RS232（COM1）或IEEE-488接口實現。每一PPC4出廠時都配有PPC4 Cockpit軟件。PPC4 Cockpit軟件通過RS232或USB端口與PPC4進行通信。PPC4 Cockpit軟件的功能、外觀和使用體驗與高級用戶界面完全一樣，為用戶提供了基本型PPC4和PPC4-ui的功能性和方便易用的界面[2]。

圖1 動態壓力控制圖Fig.1 Dynamic pressure control diagram

圖2 靜態壓力控制圖Fig.2 Static pressure control diagram

圖3 動態壓力控制模式下的就緒/未就緒狀態圖Fig.3 Ready/not ready status diagram in dynamic pressure control mode

1.1 直接壓力控制

直接壓力控制鍵可直接手動控制PPC4壓力的增大、減小和微調。按上鍵或下鍵使壓力以高速率增大或減小。當未處于動態控制模式時，按上鍵或下鍵（基本界面時）會使壓力以低速率增大或減小。在動態控制模式下，按上鍵或下鍵會使壓力以固定量微調或步進。在壓力控制作用期間，會使目標壓力以固定量發生變化，每按一次步進一步。步長的約值是根據當前的有效PPC4量程自動設置的，可利用微調功能調整步進值[3]。

1.2 自動壓力控制

PPC4的自動壓力控制功能可自動將壓力調整及控制至用戶指定的某個目標值。在主工作屏幕中按SET鍵即可輸入并執行一個壓力控制目標值，按ESC鍵或SET鍵則中斷當前的壓力控制。在本地模式下時，發送一條遠程命令也會中斷壓力控制。PPC4支持兩種壓力控制模式，以滿足不同的壓力設置和控制要求：動態和靜態。當選擇了某個量程或采用自動量程時，每種控制模式的壓力控制參數均被自動設置為所選PPC4工作量程下的最佳默認值?？刂茀蛋ǎ?/p>

Target Pressure（目標壓力）用戶指定的壓力設置點。

Hold Limit（保持限值）目標值附近對稱的正限值和負限值，在此范圍內維持受控的壓力。

Stability Limit（穩定限值）壓力變化速率的限值，以壓力/秒為單位，作為靜態控制PPC4空閑時“就緒/未就緒”狀態的標準[4]。

動態控制模式設計用于將壓力設置為目標值并連續進行控制，使壓力保持在保持限值范圍之內并盡量接近目標值，這種控制模式的優點是最終達到的壓力與目標值相同?？刂普`差的最大值等于保持限值，控制誤差的平均值一般遠遠小于保持限值。在動態壓力控制期間，保持限值是有效的。如果壓力超出保持限值，就會發生未就緒狀態。

靜態控制模式設計用于將壓力設置為接近目標值，然后停止主動控制，使壓力自然穩定在保持限值范圍之內。這種控制模式的優點是無需壓力控制系統的介入即可在定義的目標值限值范圍內設置和/或測量壓力。在靜態控制期間，保持限值是有效的。如果壓力超出保持限值，就會發生未就緒狀態，并且壓力被調整至目標值[5]。

1.3 壓力就緒/未就緒

PPC4前面板上提供了就緒/未就緒指示。該指示為用戶提供了一個清晰、直觀的標準，從而確定什么時間能夠進行有效的壓力測量。就緒/未就緒LED指示燈含義如下：

〈綠色〉壓力就緒。表示PPC4要么是正在有效地控制壓力，并且滿足就緒狀態標準；要么是PPC4并未在主動控制壓力，而壓力的變化速率在穩定限值范圍之內。

〈黃色〉壓力準就緒。PPC4正在通過精密壓力控制主動控制壓力，并且已經接近滿足就緒狀態的條件。

〈紅色〉壓力未就緒。要么是PPC4為空閑狀態并且壓力不滿足穩定試驗條件；要么是PPC4正在主動控制壓力，但是尚不滿足就緒狀態的條件。

當壓力控制不工作時：發生就緒狀態時，沒有控制閥動作，壓力變化速率在穩定限值范圍之內。穩定限值是以壓力變化速率定義的，單位為“當前的壓力單位/秒”。當壓力控制工作時：判斷就緒/未就緒狀態的標準取決于當前的控制模式為靜態控制還是動態控制。當采用自動量程或選擇了控制模式時，壓力就緒/未就緒參數被設置為默認值。

2 表壓和負表壓模式

圖4 靜態壓力控制模式下的就緒/未就緒狀態圖Fig.4 Ready/not ready status diagram in static pressure control mode

PPC4本質上測量絕壓，但是它們亦可用于表壓和負表壓測量模式。利用調零功能從Q-RPT的絕壓測量讀數中減去大氣壓值，即可實現表壓測量模式。在表壓或負表壓測量模式下，只要PPC4處于卸壓狀態，測量程序即自動運行[6]。

在運行AutoZ和刷新Poffset,G值之間，大氣壓會發生變化，例如在不卸壓而進行全面測試時。PPC4利用大氣壓動態補償來修正大氣壓的變化。當執行AutoZ時，Poffset,G值則被確定了，PPC4的內置大氣壓計的讀數Poffatm,0也會被記錄。隨后，當不再卸壓時，大氣壓自上次Poffset,G被刷新以來的變化值ΔPatm就是當前大氣壓計讀數Patm和上次執行AutoZ時的大氣壓計讀數Patm,0之差。

大氣壓動態補償功能利用ΔPatm，修正Poffset,G的值，從而總是實時補償大氣壓的變化。（絕壓）Q-RPT的表壓測量功能可實現在表壓和絕壓測量模式之間的瞬時轉換。表壓模式下由于大氣壓動態補償技術引起的任何附加不確定度是內置大氣壓計的分辨力和短期穩定度的函數，而與其絕壓測量不確定度無關。該附加不確定度為±1Pa。

3 測量方式

PPC4可以設置當前量程的測量模式（絕壓、表壓或負表壓），能夠在多達3種不同測量模式間進行簡單的一步式切換。

1）絕壓：測量相對于真空（零為真正的真空）的壓力，測量范圍從絕壓至滿量程。

2）表壓：測量相對于大氣壓的壓力（零為大氣壓），測量范圍從零至滿量程。

3）負表壓：測量相對于大氣壓的壓力（零為大氣壓），壓力值可為正或負，測量范圍從1個負大氣壓至正滿量程。

設置當前量程的自動壓力控制模式、自定義控制參數、當前默認控制參數?？刂疲–ontrol）功能可將當前量程的控制模式設置為動態或靜態。控制模式附屬于當前量程并在量程發生變化時隨該量程保存。當利用Control功能選擇了某個控制模式時，控制參數則自動被設置為當前量程的默認值。默認控制參數已經被設置為最適合典型用戶保證PPC4的工作在壓力控制和測量技術指標范圍之內。每一PPC4的默認量程都有默認的參數，并且自動量程功能自動設置適合于自動量程的控制參數。在Control功能下可查看和自定義控制模式參數。自定義保持和穩定性控制參數會改變判斷就緒/未就緒的條件。這可用來提高控制速度（縮短達到就緒的時間）。通常通過降低控制精度提高速度，或者提高精度通常會降低控制速度。

4 結論

福祿克PPC4壓力控制器可以實現絕壓、表壓、負表壓多種參數的測量，動態和靜態控制模式實現精準的壓力調節。PPC4測量精度高，控制效果好，可以滿足各類壓力儀表的量值溯源要求。