全自動(dòng)壓力儀表檢定裝置的研究

李程 呂曉東 趙丹

摘 要：依據(jù)《JJG52-2013彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表》檢定規(guī)程的要求，為確保壓力表測量結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性，需要對(duì)壓力表進(jìn)行周期檢定。傳統(tǒng)的檢定方式效率偏低，且諸多人為因素會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響。而全自動(dòng)壓力儀表檢定裝置，通過成熟的自動(dòng)控制技術(shù)，使壓力表的檢定達(dá)到了精度高、速度快等目標(biāo)。本文針對(duì)該裝置的構(gòu)建、控壓技術(shù)、指針式壓力表圖像識(shí)別及非線性補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：壓力檢定；壓力控制；壓力儀表；非線性補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）24-0046-02

0 引言

當(dāng)前，在壓力表檢定過程中主要運(yùn)用的是壓力泵、校驗(yàn)儀等單獨(dú)的設(shè)備組合而成的檢定裝置，檢定人員在操作設(shè)備方面，要求相對(duì)較高，且使用過程中會(huì)摻雜人為因素等影響量，影響測量結(jié)果。所以全自動(dòng)壓力儀表檢定裝置的研究是以實(shí)現(xiàn)壓力表全自動(dòng)檢定為目標(biāo)，搭建與《JJG52 -2013彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程》高度匹配的自動(dòng)化儀器。以此提升檢定工作的可靠性、準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

如圖1所示，該檢定裝置主要由五個(gè)部分組成，壓力自動(dòng)發(fā)生裝置、標(biāo)準(zhǔn)壓力測量裝置、CCD自動(dòng)攝像系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集器、PC機(jī)。

1.1 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)“開始檢定”命令發(fā)出以后，壓力自動(dòng)發(fā)生裝置中的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿，達(dá)到預(yù)設(shè)壓力點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)壓力測量裝置將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將信號(hào)反饋至CCD自動(dòng)攝像系統(tǒng)，對(duì)壓力表顯示的數(shù)值進(jìn)行拍攝、讀取，隨后電控輕敲系統(tǒng)對(duì)被檢表進(jìn)行輕敲，再次對(duì)讀數(shù)進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別后的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集器，與標(biāo)準(zhǔn)壓力值進(jìn)行對(duì)比，得到壓力表的示值誤差。再由計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，傳輸至打印機(jī)，完成結(jié)果的打印工作。

1.2 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及設(shè)備選型

目前，使用中的壓力表多數(shù)處于0～60MPa量程以內(nèi)、準(zhǔn)確度等級(jí)為1.6級(jí)以下的一般壓力表。結(jié)合規(guī)程要求，該裝置的測量范圍為0～60MPa，準(zhǔn)確度優(yōu)于0.05%FS。

本文所述裝置選型：（1）壓力自動(dòng)發(fā)生裝置選擇86BYG 250B型號(hào)步進(jìn)電機(jī)；（2）標(biāo)準(zhǔn)壓力測量裝置選擇CDP型號(hào)0.05級(jí)智能數(shù)字壓力模塊（不同量程共8支，本文以0～25MPa模塊為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）；（3）CCD自動(dòng)攝像系統(tǒng)選擇TGX13型號(hào)工業(yè)相機(jī)；（4）圖像采集卡選擇MV-VGA200E型號(hào)采集卡；（5）數(shù)據(jù)采集器為PCI信號(hào)采集其；（6）軟件部分為多單位聯(lián)合完成。

2 標(biāo)準(zhǔn)壓力的控制方法

PID控制方法可快速實(shí)現(xiàn)到達(dá)設(shè)定壓力點(diǎn)的響應(yīng)，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，但有超調(diào)現(xiàn)象存在。模糊控制方法具有較快的響應(yīng)速度，但越到后期，響應(yīng)的速度逐漸減慢，且當(dāng)和設(shè)定值極為接近時(shí)，運(yùn)行速度更慢。所以本文應(yīng)用了結(jié)合PID控制方法和模糊控制方法的定步長式標(biāo)準(zhǔn)壓力控制方法。如圖2所示，壓力發(fā)生階段從0點(diǎn)開始到（Pi-PA）點(diǎn)，壓力控制方式為PID控制方法，此時(shí)可穩(wěn)定而迅速的對(duì)（Pi-PA）點(diǎn)壓力進(jìn)行控制。壓力上升階段從（Pi-PA）點(diǎn)到Pi點(diǎn)，壓力控制方式為通過輸入固定脈沖控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿，此時(shí)響應(yīng)速度得到顯著提升。壓力穩(wěn)定階段，壓力控制方式為模糊控制方法，實(shí)現(xiàn)壓力無超調(diào)的穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)Pi。綜上所述，利用定步長式壓力控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)壓力準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速無超調(diào)的控制。

3 指針式壓力表的圖像識(shí)別

指針式壓力表圖像識(shí)別過程如圖3所示，當(dāng)攝像系統(tǒng)拍攝圖像后，對(duì)圖像進(jìn)行二值化轉(zhuǎn)換。對(duì)其示值進(jìn)行判讀時(shí)，結(jié)合圖像處理技術(shù)對(duì)初始刻度線與指針的夾角、終止刻度線與夾角進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)楸肀P的刻度分布極為均勻，因此當(dāng)量程給定時(shí)，可結(jié)合上述兩個(gè)角的關(guān)系，對(duì)壓力表示值進(jìn)行讀取。本文以0～25MPa，1.6級(jí)工作壓力表為例，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，所得結(jié)果如表1所示。

其允許誤差為±0.4MPa，自動(dòng)判讀結(jié)果最大示值誤差為0.12MPa，符合規(guī)程要求。

4 標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的非線性補(bǔ)償

傳感器的輸出屬于非線性輸出，本文通過分兩段的線性補(bǔ)償方法，以0～1MPa的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器為例，對(duì)其正、反行程輸出電壓進(jìn)行線性補(bǔ)償，分段位置為0.5MPa壓力處。公式（1）之中，x以及y分別代表壓力以及輸出電壓誤差。

y=-0.0393x+0.0287 （0.1

y=-0.0313x+0.0657 （0.6

由表2所得，分兩段進(jìn)行線性補(bǔ)償，使誤差處于±0.05%內(nèi)，符合規(guī)程要求。

5 結(jié)語

本文對(duì)全自動(dòng)化壓力檢定裝置的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了研究。結(jié)合《JJG52-2013彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程》的相關(guān)要求，應(yīng)用了定步長式標(biāo)準(zhǔn)壓力控制方法，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、準(zhǔn)確、無超調(diào)的控壓過程。同時(shí)運(yùn)用圖像處理系統(tǒng)對(duì)壓力儀表示值如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判讀進(jìn)行了研究，使該裝置更準(zhǔn)確、快速的對(duì)指針式壓力儀表的示值誤差進(jìn)行自動(dòng)讀取。最后對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行了非線性補(bǔ)償，通過分兩段線性補(bǔ)償方式，進(jìn)一步提升了傳感器的準(zhǔn)確度，使該裝置實(shí)現(xiàn)了壓力表全自動(dòng)檢定的目標(biāo)。

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