貯運(yùn)箱監(jiān)測儀表在線綜合檢測裝置設(shè)計(jì)

趙海鷹

(92493部隊(duì)60分隊(duì)，遼寧葫蘆島市 125000)

1 引 言

貯運(yùn)箱是裝備承載與發(fā)射的組成部分，箱體充有干燥空氣或氮?dú)猓⒈３诌m當(dāng)?shù)恼龎海乐雇獠凯h(huán)境高溫、高濕氣體進(jìn)入箱體，對內(nèi)部裝備造成腐蝕與損壞。為了保證這些條件，貯運(yùn)箱箱體通常配備了溫度、濕度和壓力傳感器或儀表，對貯運(yùn)箱的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，并且對于貯運(yùn)箱的內(nèi)部環(huán)境溫度、濕度、壓力以密封性性都要求有一定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。貯運(yùn)箱要裝配的溫、濕度，壓力環(huán)境監(jiān)測用儀表，通常為固定結(jié)構(gòu)，全部拆卸檢定費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也容易破壞整個(gè)箱體的密封結(jié)構(gòu)。歷年的現(xiàn)場檢測表明，這些儀表的損壞和失效率較高，急需有一套便捷、高效的檢測方法、技術(shù)手段和設(shè)備，對其開展校測。本文對貯運(yùn)箱技術(shù)性能與測試要求分析，結(jié)合貯運(yùn)箱維護(hù)工作實(shí)際，設(shè)計(jì)與研制集壓力，溫、濕度及氣密性測試功能為一體的在線綜合檢測裝置。

2 貯運(yùn)箱監(jiān)測儀表檢測方法

2.1 檢測儀表在線檢測方案

由于箱體儀表不易拆卸，易損壞，重復(fù)拆卸氣密性難以保證的特點(diǎn)，這限制了實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格按照檢定規(guī)程對貯運(yùn)箱監(jiān)測儀表和傳感器開展檢定。必須結(jié)合貯運(yùn)箱維護(hù)工作實(shí)際，設(shè)計(jì)一套科學(xué)、合理、可行的檢測方案。按照貯運(yùn)箱維護(hù)管理操作規(guī)程，需要定期對其充氣、補(bǔ)氣，在這一時(shí)機(jī)，進(jìn)行貯運(yùn)箱檢測儀表或傳感器的檢測，雖然不具備檢定規(guī)程的完整性、全面性和高可靠性，但能夠不增加破壞密封性風(fēng)險(xiǎn)，保證檢測效率條件下的優(yōu)化選擇方案，采用四種方式實(shí)現(xiàn)儀表的在線直接校準(zhǔn)或原位在線檢測。

(1)計(jì)量檢定與/測試方案：對貯運(yùn)箱非固定式儀表，利用本裝置氣壓泵和溫濕度發(fā)生裝置控制產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號，引入到適配器工作腔體，按檢定規(guī)程采用“直接比對法”實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢定。

(2)現(xiàn)場原位在線校準(zhǔn)/檢測方案：對固定式溫/濕度檢測儀表，將箱體通過連接管路和閥門連接起來，將箱內(nèi)氣體導(dǎo)入到密閉適配器容器內(nèi)，采樣箱體內(nèi)氣體，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)平衡后，同時(shí)讀取標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被校準(zhǔn)儀表數(shù)值，直接進(jìn)行原位溫濕度單點(diǎn)測量。

(3)現(xiàn)場原位 “負(fù)壓法”檢測方案：貯運(yùn)箱壓力表在線檢定，由于壓力表量程范圍較大，而貯運(yùn)箱使用要求禁止施加過大壓力，不能通過加壓法實(shí)現(xiàn)在線檢定，通過“正負(fù)壓檢定適配器”，對適配內(nèi)施加負(fù)壓，達(dá)到箱體施加正壓的效果，實(shí)現(xiàn)壓力表在線全量程校準(zhǔn)。

(4)現(xiàn)場原位條件下“充氣法”壓力表校準(zhǔn)方案：對不可拆卸壓力表，結(jié)合箱體維護(hù)充氣過程，利用外置高壓氮?dú)馄繛楸鞠到y(tǒng)提供氣源，本系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生與控制箱體充氣過程，同時(shí)通過和箱體連通的高精度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字壓力傳感器，實(shí)時(shí)檢測箱體內(nèi)壓力，與被檢測儀表進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)從零壓力至箱體壓力范圍內(nèi)的被檢壓力表校準(zhǔn)。

要實(shí)現(xiàn)這一功能，設(shè)計(jì)一體化充氣控制和在線測試裝置是關(guān)鍵。

2.2 檢測裝置總體設(shè)計(jì)

檢測裝置總體研究思路是針對貯運(yùn)箱溫濕度、壓力儀表及箱體氣密性的計(jì)量特性與校準(zhǔn)要求，研究儀表原位在線校測方法，采用計(jì)算機(jī)控制和電子測量技術(shù)，充分考慮貯運(yùn)箱儀表的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制精密氣體壓力測量與發(fā)生控制器、溫、濕度高精度測量模塊、氣密性檢測單元及自動(dòng)測試軟件，實(shí)現(xiàn)對貯運(yùn)發(fā)射箱環(huán)境參數(shù)監(jiān)測儀表和傳感器的檢測。裝置總體技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 檢測裝置總體設(shè)計(jì)方案

(1)壓力產(chǎn)生單元：產(chǎn)生壓力儀表校準(zhǔn)和檢測用標(biāo)準(zhǔn)信號；采用GE的DPS8000高精度數(shù)字壓力傳感器作為壓力測量與控制核心單元，設(shè)計(jì)了精密自動(dòng)壓力控制器，壓力響應(yīng)速度快、控制精度高。對貯運(yùn)箱壓力表或壓力傳感器，在箱體維護(hù)充氣過程中，從零點(diǎn)開始，以DPS8000高精度數(shù)字壓力傳感器為把說準(zhǔn)，控制箱體的充氣壓力，讀取貯運(yùn)箱壓力表或壓力傳感器測量結(jié)果，與DPS8000高精度數(shù)字壓力傳感器進(jìn)行比較，完成貯運(yùn)箱壓力表或壓力傳感器的多點(diǎn)全量程檢測。

(2)溫、濕度檢測單元：采用Rotronic高精度溫濕度集成化傳感器作為系統(tǒng)的溫度濕度測量標(biāo)準(zhǔn)，測量充入箱體的氣體的溫度和濕度，與貯運(yùn)箱壓力表或壓力傳感器測量結(jié)果進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)溫度和濕度傳感器的單點(diǎn)檢測對比。

五四青年節(jié)，是城里年輕人的節(jié)日，今天在這個(gè)小鎮(zhèn)上卻如城里般熱鬧。高音喇叭把熱鬧的氣氛撩拔得到處都是，仿佛伸手隨便在空中抓一把就是一掌的火熱，聲聲鑼鼓更是把歡樂捶得大汗淋漓般的舒暢。每一個(gè)人的臉上都洋溢著笑。

(3)箱體氣密性檢測單元：設(shè)計(jì)保壓式貯運(yùn)箱氣密性檢測技術(shù)方案，結(jié)合維護(hù)過程，充氣至箱體要求最大壓力時(shí)，關(guān)閉充氣功能，打開壓力測量功能，保持DPS8000高精度數(shù)字壓力傳感器和箱體連通，連續(xù)測量箱體的壓力和采集時(shí)間，對測量結(jié)果進(jìn)行最小二乘法線性擬合計(jì)算，得到箱體的泄露率。

2.3 檢測裝置技術(shù)指標(biāo)

a)壓力測量范圍：(-0.1～0.2)Mpa；誤差：±0.05%FS；

b)壓力控制穩(wěn)定性：0.01%FS；

c)溫度測量范圍：(-5～50)℃，誤差：±0.2℃；

d)濕度測量范圍：5%RH～95%RH，誤差：±1.5%RH。

3 檢測裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

一體化檢測設(shè)備硬件設(shè)計(jì)主要是壓力測量與精密控制單元的設(shè)計(jì)，精密溫濕度檢測單元及箱體的密封性檢測單元的設(shè)計(jì)；系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)壓力控制接口的界面設(shè)計(jì)、閥門控制的算法設(shè)計(jì)、密封性溫度補(bǔ)償?shù)能浖O(shè)計(jì)等技術(shù)內(nèi)容。其中，控制電路的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與其研究是多參數(shù)綜合在線計(jì)量與測試方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，決定系統(tǒng)的控制精度、控制穩(wěn)定性和系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

3.1 壓力產(chǎn)生控制技術(shù)方案

1)模擬與數(shù)字雙閉環(huán)控制。裝置采用數(shù)字與模擬傳感器雙路閉環(huán)控制策略，提高了系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善了系統(tǒng)的響應(yīng)特性。裝置控制技術(shù)方案如圖2所示。圖2壓力產(chǎn)生與控制方案中，普通硅壓阻式壓力傳感器作為模擬閉環(huán)單元測量器件，形成模擬壓力負(fù)反饋，其輸出信號送入模擬控制比較器輸入端，經(jīng)過壓力控制策略產(chǎn)生控制信號，作用于氣體執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制進(jìn)氣與排氣閥門的開度和時(shí)間，調(diào)節(jié)氣容內(nèi)的壓力值；普通硅壓阻傳感器短期穩(wěn)定性、控制分辨率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較好，但模擬輸出沒有經(jīng)過補(bǔ)償和修正，輸出壓力準(zhǔn)確度不高，受其精度限制，裝置同時(shí)采用雙閉環(huán)控制設(shè)計(jì)，根據(jù)輸入單元設(shè)定值與數(shù)字壓力傳感器測量輸出的偏差，制定數(shù)字控制策略，給出相應(yīng)的壓力控制信號，不斷對模擬壓力傳感器輸出進(jìn)行修正，調(diào)整模擬壓力控制器的給定值，使氣容內(nèi)的氣體環(huán)境達(dá)到給定的標(biāo)準(zhǔn)壓力值，實(shí)現(xiàn)壓力參數(shù)自動(dòng)檢定。同時(shí)，模擬制系統(tǒng)中采用微分電路進(jìn)行信號調(diào)理，通過獲得dP/dt壓力變化率，實(shí)現(xiàn)微分閉環(huán)控制功能，克服了系統(tǒng)PID 反饋的超調(diào)，穩(wěn)定了輸出控制，提升了系統(tǒng)壓力產(chǎn)生的平穩(wěn)性。

圖2 裝置控制系統(tǒng)技術(shù)方案

2)精密閥門控制技術(shù)。檢測裝置氣體執(zhí)行單元選擇PARKER公司的比例閥門，由于傳統(tǒng)的比例式控制閥門的壓力輸出與溫度變化、流量與控制系統(tǒng)過程中的給定氣阻的比值系數(shù)大小、系統(tǒng)過程中的給定氣體輸入容積、當(dāng)前的輸入壓力、流量、流速等密切地息息相關(guān)，具有不可確定的非線性，因此不太有可能直接得到準(zhǔn)確的控制數(shù)學(xué)壓力模型。本裝置采用閥門組合方式，經(jīng)篩選配對，設(shè)計(jì)一組比例閥門對，采用模糊控制統(tǒng)計(jì)算法，通過檢測實(shí)際壓力輸入變化值和實(shí)際給定數(shù)值進(jìn)行對比換算，獲取壓力控制的基本信息，通過設(shè)計(jì)壓力控制與執(zhí)行單元，配合系統(tǒng)的控制策略與算法，從而控制閥門組合，將輸入壓力逐次放大逼近至實(shí)際要求或給定值，實(shí)現(xiàn)了氣體壓力的精密與穩(wěn)定輸出。

圖3 氣體執(zhí)行單元技術(shù)方案

3.2 氣密性檢測技術(shù)方案

(1)氣密性檢測單元設(shè)計(jì)。貯運(yùn)箱氣體密封性檢測單元主要由高壓氣體容器，氣泵及閥件控制系統(tǒng)組成；裝置采用觸屏方式完成氣體密封性檢測參數(shù)的設(shè)置，可以選擇氣泵或氣瓶加壓，自動(dòng)完成加壓、保壓、氣密性檢測、疏空放氣等氣密性檢測系列操作，及測量結(jié)果的自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)測量過程自動(dòng)化。

(2)線性擬合氣密性測量方法。裝置采用直壓法檢測泄漏率進(jìn)行貯運(yùn)箱氣體密封性測試，泄漏率的計(jì)算通常是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)采集被測箱體內(nèi)的起始和終止時(shí)刻兩點(diǎn)的壓力值，根據(jù)公式換算獲得。兩點(diǎn)公式計(jì)算方法容易受測量環(huán)境條件影響，而且測量誤差較大。氣密性檢測在測量過程中，按照一定時(shí)間間隔采樣氣體壓力和溫度值，采用最小二乘法線性擬合，插值擬合兩點(diǎn)測量之間量值，計(jì)算擬合直線的斜率，作為泄漏率測量結(jié)果，可以改善氣密性測量結(jié)果。

3.3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)方案

裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STM32系列微處理器與計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)方案，微處理器接收上位計(jì)算機(jī)指令完成信號輸出、測量及控制。裝置控制流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方案

4 檢測裝置性能試驗(yàn)

用一等活塞壓力計(jì)對裝置系統(tǒng)內(nèi)部高精度壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，測量結(jié)果如表1，一年測試數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定性可達(dá)到2×10。

表1 絕壓測量校準(zhǔn)結(jié)果

從系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)分析影響壓力輸出不確定度因素主要有以下方面，一是壓力設(shè)定影響量，二是系統(tǒng)控制穩(wěn)定性影響量，三是系統(tǒng)反饋環(huán)節(jié)影響量，四是隨機(jī)因素引入的重復(fù)性影響量。

(1)系統(tǒng)壓力值的設(shè)定由計(jì)算機(jī)和STM32微處理器通過16位AD569及12位D/A轉(zhuǎn)換器輸出，若考慮系統(tǒng)電壓的漂移及電壓輸出非線性影響等因素，不確定度影響量應(yīng)在0.03%，系統(tǒng)采用雙D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，提高了測試分辨率與短期穩(wěn)定性，按照有效分辨率計(jì)算不確定度影響分散性為0.0003%。

(2)控制系統(tǒng)不確定度有控制穩(wěn)定性、控制分辨率和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、比較電路漂移和閉環(huán)增益決定，裝置系統(tǒng)控制過程包括模擬與數(shù)字兩部分，為保持壓力升降的平穩(wěn)性，雙路閉環(huán)系統(tǒng)引入壓力變化率負(fù)反饋，克服了傳統(tǒng)PID控制調(diào)節(jié)的超調(diào)問題，并且采用Z-N法，依靠大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反復(fù)調(diào)整PID控制參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)測試獲得穩(wěn)定性不確定度影響分散性為0.0025%。

(3)系統(tǒng)采用數(shù)字傳感器輸出為壓力控制信號，反饋部分不確定度影響量主要由數(shù)字傳感器準(zhǔn)確度決定，根據(jù)其技術(shù)指標(biāo)可知影響量的分散性為0.02%。

(4)系統(tǒng)輸出重復(fù)性可采用測量標(biāo)準(zhǔn)裝置對其進(jìn)行反復(fù)測量獲得樣本，根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算樣本實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為重復(fù)性，通過實(shí)驗(yàn)測試獲得重復(fù)性不確定度影響分散性為0.002%。

根據(jù)擴(kuò)展不確定度評定規(guī)則，認(rèn)為上述標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度分量不相關(guān)，按照方和根合成，取

k

=2，則系統(tǒng)壓力輸出不確定度為0.05%。

檢測裝置溯源結(jié)果，溫濕度測量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見表2和表3。

表2 溫度測量校準(zhǔn)結(jié)果

表3 濕度測量校準(zhǔn)結(jié)果

檢測裝置溯源結(jié)果，壓力測量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 壓力測量校準(zhǔn)結(jié)果

5 結(jié)束語

裝置基于嵌入式微處理系統(tǒng)，采用高精度壓力敏感器件作為系統(tǒng)核心單元，通過比例對閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)壓力信號，實(shí)現(xiàn)壓力、溫濕度及氣密性一體化測量；系統(tǒng)采用模擬與數(shù)字傳感器雙閉環(huán)壓力控制策略，提高了系統(tǒng)準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性；并針對不同保障對象的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)適配器，實(shí)現(xiàn)多方式校準(zhǔn)與檢測。