基于LabVIEW的壓力變送器標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韋歡文

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的壓力變送器標(biāo)定系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)、LabVIEW軟件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路和液壓加載裝置。數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)USB連接上位機(jī)，在上位機(jī)中開發(fā)LabVIEW軟件系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)串行接口與上位機(jī)和開發(fā)LabVIEW軟件系統(tǒng)連接，驅(qū)動(dòng)電路和液壓加載裝置電性連接?？纱?zhèn)鹘y(tǒng)人工鑒定過(guò)程的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓力變送器標(biāo)定過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)、采集、顯示和處理的一體化，且數(shù)據(jù)的處理通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，準(zhǔn)確性和分析效率提高。

關(guān)鍵詞：壓力變送器;在線檢測(cè);標(biāo)定

中圖分類號(hào)：V448.15+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）06-0070-03

0? 引言

目前我們國(guó)內(nèi)的很多檢定機(jī)構(gòu)依然采用傳統(tǒng)的人工方式，按照《JJG882-2004壓力變送器檢定規(guī)程》規(guī)定使用的儀器設(shè)備，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析，具體采用手動(dòng)操作將壓力標(biāo)準(zhǔn)器和被校壓力變送器一起接入同一個(gè)壓力源上，通過(guò)調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的一個(gè)壓力調(diào)節(jié)器來(lái)控制其壓力的大小。近些年，國(guó)內(nèi)的一些科研院所、高校、檢定機(jī)構(gòu)或者儀表制造企業(yè)等也進(jìn)行了一些關(guān)于壓力變送器檢定的相關(guān)研究，但總體的研究較少且技術(shù)不夠成熟，特別是在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析處理的標(biāo)定系統(tǒng)的研究很少。較多的研究方向多集中在檢定結(jié)構(gòu)、檢定方法的改變以及數(shù)據(jù)分析處理方法的研究，如測(cè)量不確定的評(píng)定、誤差分析研究、誤差影響因素分析等。如王瑞斌依據(jù)國(guó)家檢定規(guī)程，所設(shè)計(jì)的壓力變送器標(biāo)定系統(tǒng)，可進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要利用了iPlot控件，而遠(yuǎn)程的操作則通過(guò)Fluke PPC4 壓力控制器控制，該系統(tǒng)一定程度的實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的檢定[1]。葉加星則從檢定裝置結(jié)構(gòu)本身著手進(jìn)行升級(jí)改造，通過(guò)分壓的方式，待輸出的壓差未定之后，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)的壓力變送器和被測(cè)量的壓力變送器的壓差值，再通過(guò)串口輸入到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理、記錄等[2]。趙明麗利用虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合數(shù)字萬(wàn)用表KE2000采集壓力變送器的信號(hào)，并將采集到的變標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸送到上位機(jī)進(jìn)行分析處理，且可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)儀表的檢定[3]。國(guó)內(nèi)也有生產(chǎn)廠家，如北京康斯特公司生產(chǎn)的CST2001型數(shù)字壓力控制儀，量程在160KPa～40MPa之間，標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)。國(guó)內(nèi)廠家的產(chǎn)品與國(guó)外知名品牌的同類產(chǎn)品在產(chǎn)品精度、穩(wěn)定性指標(biāo)上還有一定差距。目前出現(xiàn)了一些采用LabVIEW在傳感器檢定行業(yè)的應(yīng)用研究，如魏榕山開發(fā)出一種基于LabVIEW的傳感器的自動(dòng)標(biāo)定校準(zhǔn)系統(tǒng)，結(jié)合多項(xiàng)式擬合法實(shí)現(xiàn)傳感器的信號(hào)校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)采集可靠且縮短標(biāo)定時(shí)間[4]。國(guó)外的傳感器標(biāo)定技術(shù)相對(duì)于國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)。1984年，在英國(guó)就誕生了全自動(dòng)的壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)，其量程大、測(cè)量精度高，在系統(tǒng)工作時(shí)，只需要輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)就可以完全實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)校準(zhǔn)[5]。

由于利用LabVIEW自行編制的監(jiān)控系統(tǒng)軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、采集、顯示和處理功能，并且顯示具有良好的人機(jī)交互界面，因此，設(shè)計(jì)一套基于LabVIEW開發(fā)的壓力變送器標(biāo)定系統(tǒng)非常有必要。

1? 設(shè)計(jì)要求分析

壓力變送器是檢測(cè)氣壓、液壓的重要儀器，新研發(fā)或者新制造的壓力變送器不能馬上應(yīng)用到實(shí)際的工程測(cè)試。使用之前，需要先對(duì)原設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行一系列全面技術(shù)性能的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，以確定該儀器的實(shí)際性能。久置的壓力變送器某些指標(biāo)（如靈敏度等）有可能會(huì)發(fā)生變化，也需要進(jìn)行復(fù)測(cè)標(biāo)定，對(duì)原始數(shù)據(jù)修正之后方可使用。標(biāo)定結(jié)果的好壞直接影響實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)誤差大小。因此，壓力變送器使用前的標(biāo)定尤為重要。

對(duì)傳感器的標(biāo)定主要有靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程《JJG882-2004壓力變送器檢定規(guī)程》，壓力變送器的檢定儀器主要有直流電流表、液體壓力計(jì)、數(shù)字壓力計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)高靜壓差壓活塞式壓力計(jì)等，但需要人工進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)記錄以及處理幾個(gè)模塊。傳統(tǒng)的檢定方法耗時(shí)很長(zhǎng)，如檢定環(huán)境溫度影響的每個(gè)試驗(yàn)溫度點(diǎn)需等待1～2小時(shí)方可測(cè)量，又如檢定濕度影響需要在試驗(yàn)環(huán)境條件下放置4小時(shí)方可進(jìn)行一組參比測(cè)量，若是多組數(shù)據(jù)的測(cè)量檢定，則耗時(shí)達(dá)到數(shù)天，整個(gè)檢定過(guò)程流程多、耗時(shí)長(zhǎng)且數(shù)據(jù)處理不夠快速精確。為此需要設(shè)計(jì)一套標(biāo)定系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工鑒定過(guò)程的全監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)一體化的數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)、采集、顯示和處理。

2? 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，即為基于LabVIEW的壓力變送器標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)、LabVIEW軟件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路和液壓加載裝置。

待檢壓力變送器連接在數(shù)據(jù)采集卡的輸入口上，數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)USB連接在上位機(jī)上，在上位機(jī)中開發(fā)LabVIEW軟件系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)串行接口與上位機(jī)和開發(fā)LabVIEW軟件系統(tǒng)連接，驅(qū)動(dòng)電路和液壓加載裝置電性連接。LabVIEW軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、控制模塊，驅(qū)動(dòng)電路由LabVIEW軟件系統(tǒng)的控制模塊控制，進(jìn)而控制主電機(jī)61和調(diào)節(jié)電機(jī)611的運(yùn)行。

2.2 液壓加載裝置設(shè)計(jì)

如圖2所示即為液壓加載裝置結(jié)構(gòu)示意圖，包括主電機(jī)61、泵63、油路64、油箱68、傳動(dòng)系統(tǒng)。

液壓加載裝置結(jié)構(gòu)連接關(guān)系為：主電機(jī)61與泵63同軸聯(lián)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(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)齒輪69、主動(dòng)齒輪610、調(diào)節(jié)電機(jī)611，其關(guān)系為：從動(dòng)齒輪69和主動(dòng)齒輪610嚙合，主動(dòng)齒輪610同軸固定安裝在調(diào)節(jié)電機(jī)611的輸出軸上，驅(qū)動(dòng)電路分別與主電機(jī)61和調(diào)節(jié)電機(jī)611電性連接。此外，電機(jī)61和泵63之間的軸上設(shè)置有聯(lián)軸器62，軸器62將泵63的輸入軸和主電機(jī)61的輸出軸同軸聯(lián)接。油路64上依次連接有蓄能器65、標(biāo)準(zhǔn)壓力表66和調(diào)壓閥67，標(biāo)準(zhǔn)壓力表66與數(shù)據(jù)采集卡連接，可以將標(biāo)準(zhǔn)壓力表66上的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集卡2上，調(diào)壓閥67卸油口通過(guò)油路64與油箱68連接。油路64在標(biāo)準(zhǔn)壓力表66和調(diào)壓閥67設(shè)置有分流油管，油路64的分流連接待檢壓力變送器1。調(diào)壓閥67上設(shè)置有手柄，手柄與從動(dòng)齒輪69同軸固定連接，手柄可以調(diào)節(jié)調(diào)壓閥67產(chǎn)生的油壓。

3? 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LabVIEW作為虛擬儀器軟件開發(fā)工具，在數(shù)據(jù)采集方面優(yōu)勢(shì)明顯，其開發(fā)周期短，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示和存儲(chǔ)一體化，廣泛引用于測(cè)試行業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，且人機(jī)交互良好[6-8]?；贚abVIEW的數(shù)據(jù)采集界面如圖3所示，外部數(shù)據(jù)采集通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行連接，將壓力變送器連接到數(shù)據(jù)采集卡之后，方可采集壓力變送器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4? 系統(tǒng)工作過(guò)程分析

結(jié)合圖1至圖3，其工作原理為：使用時(shí)，將待檢壓力變送器與本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡的輸入口連接，通過(guò)控制模塊發(fā)出指令控制驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)一步控制主電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得液壓加載裝置為待檢壓力變送器提供油壓，可以通過(guò)LabVIEW軟件系統(tǒng)的控制模塊控制手柄以調(diào)節(jié)調(diào)壓閥產(chǎn)生的油壓。數(shù)據(jù)采集卡將待檢壓力變送器和標(biāo)準(zhǔn)壓力表檢測(cè)到的油壓信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)，并在LabVIEW軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、顯示和存儲(chǔ)，待檢壓力變送器與標(biāo)準(zhǔn)壓力表所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，得出處理結(jié)果。

5? 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的壓力變送器標(biāo)定系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓力變送器標(biāo)定過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)、采集、顯示和處理的一體化，代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工鑒定過(guò)程的全監(jiān)控，并且系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面。采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理方法，保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性。這為今后在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供一種技術(shù)方案基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瑞斌.壓力變送器自動(dòng)化檢定技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，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(shí)現(xiàn)[J].液壓氣動(dòng)與密封，2017，37（05）：58-60.

[3]趙明麗，馬淑華.基于虛擬儀器技術(shù)的壓力變送器自動(dòng)檢定管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（10）：150，152.

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

[5]郭小瑜.智能差壓變送器標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京理工大學(xué)，2006.

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

[7]李菲，江世明.基于LabVIEW的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（6）：114-116.

[8]楊高科.LabVIEW虛擬儀器項(xiàng)目開發(fā)與管理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.