基于LabVIEW的壓力變送器標定系統設計

韋歡文

摘要：本文設計了一種基于LabVIEW的壓力變送器標定系統，包括數據采集卡、上位機、LabVIEW軟件系統、驅動電路和液壓加載裝置。數據采集卡通過USB連接上位機，在上位機中開發LabVIEW軟件系統，驅動電路通過串行接口與上位機和開發LabVIEW軟件系統連接，驅動電路和液壓加載裝置電性連接。可代替傳統人工鑒定過程的監控，實現數據壓力變送器標定過程的在線監測、采集、顯示和處理的一體化，且數據的處理通過計算機數據自動處理，準確性和分析效率提高。

關鍵詞：壓力變送器;在線檢測;標定

中圖分類號：V448.15+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0070-03

0? 引言

目前我們國內的很多檢定機構依然采用傳統的人工方式，按照《JJG882-2004壓力變送器檢定規程》規定使用的儀器設備，進行試驗設計和試驗分析，具體采用手動操作將壓力標準器和被校壓力變送器一起接入同一個壓力源上，通過調節該系統的一個壓力調節器來控制其壓力的大小。近些年，國內的一些科研院所、高校、檢定機構或者儀表制造企業等也進行了一些關于壓力變送器檢定的相關研究，但總體的研究較少且技術不夠成熟，特別是在線監測、數據分析處理的標定系統的研究很少。較多的研究方向多集中在檢定結構、檢定方法的改變以及數據分析處理方法的研究，如測量不確定的評定、誤差分析研究、誤差影響因素分析等。如王瑞斌依據國家檢定規程，所設計的壓力變送器標定系統，可進行遠程操控，其系統的設計主要利用了iPlot控件，而遠程的操作則通過Fluke PPC4 壓力控制器控制，該系統一定程度的實現了自動化的檢定[1]。葉加星則從檢定裝置結構本身著手進行升級改造，通過分壓的方式，待輸出的壓差未定之后，測定標準的壓力變送器和被測量的壓力變送器的壓差值，再通過串口輸入到上位機進行數據分析與處理、記錄等[2]。趙明麗利用虛擬儀器技術，結合數字萬用表KE2000采集壓力變送器的信號，并將采集到的變標準信號輸送到上位機進行分析處理，且可以實現多臺儀表的檢定[3]。國內也有生產廠家，如北京康斯特公司生產的CST2001型數字壓力控制儀，量程在160KPa～40MPa之間，標準器的準確度等級為0.05級。國內廠家的產品與國外知名品牌的同類產品在產品精度、穩定性指標上還有一定差距。目前出現了一些采用LabVIEW在傳感器檢定行業的應用研究，如魏榕山開發出一種基于LabVIEW的傳感器的自動標定校準系統，結合多項式擬合法實現傳感器的信號校準，數據采集可靠且縮短標定時間[4]。國外的傳感器標定技術相對于國內較為先進。1984年，在英國就誕生了全自動的壓力校準系統，其量程大、測量精度高，在系統工作時，只需要輸入相應的數據就可以完全實現壓力的自動校準[5]。

由于利用LabVIEW自行編制的監控系統軟件，具有強大的數據監測、采集、顯示和處理功能，并且顯示具有良好的人機交互界面，因此，設計一套基于LabVIEW開發的壓力變送器標定系統非常有必要。

1? 設計要求分析

壓力變送器是檢測氣壓、液壓的重要儀器，新研發或者新制造的壓力變送器不能馬上應用到實際的工程測試。使用之前，需要先對原設計指標進行一系列全面技術性能的標定實驗，以確定該儀器的實際性能。久置的壓力變送器某些指標（如靈敏度等）有可能會發生變化，也需要進行復測標定，對原始數據修正之后方可使用。標定結果的好壞直接影響實際測試的數據誤差大小。因此，壓力變送器使用前的標定尤為重要。

對傳感器的標定主要有靜態標定和動態標定。根據中華人民共和國國家計量檢定規程《JJG882-2004壓力變送器檢定規程》，壓力變送器的檢定儀器主要有直流電流表、液體壓力計、數字壓力計、標準壓力發生器、標準高靜壓差壓活塞式壓力計等，但需要人工進行實驗設計、數據記錄以及處理幾個模塊。傳統的檢定方法耗時很長，如檢定環境溫度影響的每個試驗溫度點需等待1～2小時方可測量，又如檢定濕度影響需要在試驗環境條件下放置4小時方可進行一組參比測量，若是多組數據的測量檢定，則耗時達到數天，整個檢定過程流程多、耗時長且數據處理不夠快速精確。為此需要設計一套標定系統代替傳統人工鑒定過程的全監控，實現一體化的數據在線監測、采集、顯示和處理。

2? 系統的總體設計

2.1 總體結構

如圖1所示，即為基于LabVIEW的壓力變送器標定系統的結構示意圖，包括數據采集卡、上位機、LabVIEW軟件系統、驅動電路和液壓加載裝置。

待檢壓力變送器連接在數據采集卡的輸入口上，數據采集卡通過USB連接在上位機上，在上位機中開發LabVIEW軟件系統，驅動電路通過串行接口與上位機和開發LabVIEW軟件系統連接，驅動電路和液壓加載裝置電性連接。LabVIEW軟件系統包括數據采集模塊、數據處理模塊、數據顯示模塊、數據存儲模塊、控制模塊，驅動電路由LabVIEW軟件系統的控制模塊控制，進而控制主電機61和調節電機611的運行。

2.2 液壓加載裝置設計

如圖2所示即為液壓加載裝置結構示意圖，包括主電機61、泵63、油路64、油箱68、傳動系統。

液壓加載裝置結構連接關系為：主電機61與泵63同軸聯接，油路64接頭安裝在泵63的出油口，油路64另一頭與油箱68連接。其中的傳動系統包括動齒輪69、主動齒輪610、調節電機611，其關系為：從動齒輪69和主動齒輪610嚙合，主動齒輪610同軸固定安裝在調節電機611的輸出軸上，驅動電路分別與主電機61和調節電機611電性連接。此外，電機61和泵63之間的軸上設置有聯軸器62，軸器62將泵63的輸入軸和主電機61的輸出軸同軸聯接。油路64上依次連接有蓄能器65、標準壓力表66和調壓閥67，標準壓力表66與數據采集卡連接，可以將標準壓力表66上的數據傳輸至數據采集卡2上，調壓閥67卸油口通過油路64與油箱68連接。油路64在標準壓力表66和調壓閥67設置有分流油管，油路64的分流連接待檢壓力變送器1。調壓閥67上設置有手柄，手柄與從動齒輪69同軸固定連接，手柄可以調節調壓閥67產生的油壓。

3? 基于LabVIEW的數據采集和標定系統設計

LabVIEW作為虛擬儀器軟件開發工具，在數據采集方面優勢明顯，其開發周期短，能夠實現數據的采集、處理、顯示和存儲一體化，廣泛引用于測試行業、工業自動化領域，且人機交互良好[6-8]。基于LabVIEW的數據采集界面如圖3所示，外部數據采集通過數據采集卡進行連接，將壓力變送器連接到數據采集卡之后，方可采集壓力變送器的實時數據。

4? 系統工作過程分析

結合圖1至圖3，其工作原理為：使用時，將待檢壓力變送器與本系統的數據采集卡的輸入口連接，通過控制模塊發出指令控制驅動電路，進一步控制主電機轉動，使得液壓加載裝置為待檢壓力變送器提供油壓，可以通過LabVIEW軟件系統的控制模塊控制手柄以調節調壓閥產生的油壓。數據采集卡將待檢壓力變送器和標準壓力表檢測到的油壓信號發送到上位機，并在LabVIEW軟件系統進行數據的處理、顯示和存儲，待檢壓力變送器與標準壓力表所采集到的數據進行分析對比，得出處理結果。

5? 結語

本文設計的壓力變送器標定系統可實現數據壓力變送器標定過程的在線監測、采集、顯示和處理的一體化，代替傳統人工鑒定過程的全監控，并且系統具有良好的人機交互界面。采用先進的計算機數據自動處理方法，保證數據處理結果的合理性和準確性。這為今后在線檢測技術的發展提供一種技術方案基礎。

參考文獻：

[1]王瑞斌.壓力變送器自動化檢定技術的研究與實現[J].計量與測試技術，2017，44（10）：38-39，41.

[2]葉加星，李金俊.一種低成本差壓變送器檢定裝置的實現[J].液壓氣動與密封，2017，37（05）：58-60.

[3]趙明麗，馬淑華.基于虛擬儀器技術的壓力變送器自動檢定管理系統設計[J].數字技術與應用，2016（10）：150，152.

[4]魏榕山，吳司熠.基于LabVIEW的MEMS傳感器自動標定校準系統[J].電子科技，2018，31（02）：48-50，55.

[5]郭小瑜.智能差壓變送器標定系統的設計與實現[D].南京理工大學，2006.

[6]阮奇楨.我和LabVIEW第2 版[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[7]李菲，江世明.基于LabVIEW的溫度測量系統設計[J].現代電子技術，2014，37（6）：114-116.

[8]楊高科.LabVIEW虛擬儀器項目開發與管理[M].北京：機械工業出版社，2012.