專用測(cè)試設(shè)備是為測(cè)試產(chǎn)品特殊性能而專門設(shè)計(jì)制造的設(shè)備，在大型航天、航空、汽車制造等行業(yè)內(nèi)被廣泛用于產(chǎn)品研發(fā)測(cè)試和性能試驗(yàn)，其技術(shù)指標(biāo)的準(zhǔn)確可靠直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。專用測(cè)試設(shè)備測(cè)量參數(shù)多，涉及計(jì)量專業(yè)多，加上設(shè)備本身的獨(dú)特性，極少有適用的正式檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范作指導(dǎo)，實(shí)際工作中多依靠計(jì)量技術(shù)人員在研究特定校準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上形成的企業(yè)自編規(guī)范作為依據(jù)。專用測(cè)試設(shè)備對(duì)時(shí)間參數(shù)的測(cè)量主要有3種方式:一是利用計(jì)時(shí)儀表測(cè)量；二是調(diào)用計(jì)算機(jī)時(shí)鐘測(cè)量；三是通過可編程計(jì)時(shí)模塊測(cè)量。本文對(duì)接科研生產(chǎn)實(shí)際需求，結(jié)合計(jì)量實(shí)踐研究，對(duì)第三種測(cè)量方式的時(shí)間參數(shù)提出校準(zhǔn)方法。

一、專用測(cè)試設(shè)備時(shí)間參數(shù)測(cè)量原理

某型專用測(cè)試設(shè)備用于油泵的性能試驗(yàn)，綜合測(cè)試產(chǎn)品試驗(yàn)過程中的壓力、溫度、流量、電功率及時(shí)間參數(shù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。其中，溫度、壓力、流量參數(shù)通過傳感器或變送器將產(chǎn)品工況轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理和采集送至工控機(jī)，再按預(yù)設(shè)系數(shù)計(jì)算后顯示在測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示界面上；電參數(shù)測(cè)量?jī)x利用自帶數(shù)字通信功能將測(cè)得的電功率直接送工控機(jī)接收顯示；時(shí)間參數(shù)的測(cè)量由測(cè)量系統(tǒng)搭配相應(yīng)的可編程控制器(PLC)定時(shí)模塊完成。整體原理框圖如圖1所示。

圖1  某型油泵原理框圖

被測(cè)的時(shí)間參數(shù)名稱為建壓時(shí)間，定義描述為:從油泵上電開始到油泵壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值P₁所用的時(shí)間。試驗(yàn)臺(tái)通電，產(chǎn)品按要求安裝完成，打開系統(tǒng)測(cè)試界面，按下操作面板上的“產(chǎn)品上電”鍵，油泵開始工作，同時(shí)系統(tǒng)發(fā)送指令，定時(shí)模塊開始計(jì)時(shí)；系統(tǒng)顯示油泵壓力值持續(xù)上升，升至預(yù)設(shè)值P₁時(shí)，油泵斷電停止工作，同時(shí)系統(tǒng)發(fā)送指令，定時(shí)模塊停止計(jì)時(shí)并將測(cè)量的時(shí)間值返回顯示在界面 “建壓時(shí)間”數(shù)據(jù)框內(nèi)，即為建壓時(shí)間示值t₁。

二、校準(zhǔn)方法

1.校準(zhǔn)設(shè)備選擇

通過原理分析，雖然時(shí)間測(cè)量功能主要由定時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)，但對(duì)它進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)并不能保證整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)性能，因此需進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，即用滿足技術(shù)要求的校準(zhǔn)設(shè)備對(duì)建壓時(shí)間進(jìn)行同步測(cè)量，與試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量結(jié)果直接比對(duì)來實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。按試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)協(xié)議，建壓時(shí)間t測(cè)量范圍為0～5s,最大允許誤差為±0.05s，考慮到校準(zhǔn)測(cè)試不確定度比4∶1的要求，校準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量不確定度需≤0.012s。綜合評(píng)估后，選用數(shù)字式電秒表作為校準(zhǔn)設(shè)備，其分辨力最高可達(dá)0.0001s，最大允許誤差為±(5×10^-5R_d+1個(gè)字)，且有多種測(cè)量模式可選。

2.校準(zhǔn)原理

建壓時(shí)間是一段持續(xù)時(shí)間，按下通電鍵開始，壓力升至P₁結(jié)束；數(shù)字電秒表有多種測(cè)量模式，其中選擇“測(cè)量一個(gè)正電壓持續(xù)時(shí)間”模式的改造難度最低。此種模式下，“III”-“⊥”端接通正電壓開始計(jì)時(shí)，斷開正電壓停止計(jì)時(shí)；只要實(shí)現(xiàn)按下“產(chǎn)品上電”鍵與電秒表接通正電壓同步，壓力值升至P₁與電秒表斷開正電壓同步，就能實(shí)現(xiàn)建壓時(shí)間試驗(yàn)測(cè)量和校準(zhǔn)測(cè)量的同步而完成校準(zhǔn)。正電壓可以利用試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)的激勵(lì)電源提供，正電壓的接通、斷開可以利用PLC通斷模塊實(shí)現(xiàn)；通斷模塊的通/斷控制指令則由系統(tǒng)開發(fā)人員設(shè)置與定時(shí)模塊的控制指令同步發(fā)出。

3.校準(zhǔn)方法

選用成都鐘表廠生產(chǎn)的415型數(shù)字電秒表，最大允許誤差為±(5×10^-5R_d+時(shí)基)，時(shí)基選擇0.001s，模式置“連續(xù)”；以及相應(yīng)的1214C型PLC通斷模塊，測(cè)量分辨力為0.001s，通斷模塊初始狀態(tài)設(shè)為斷開，串入激勵(lì)電源正電壓通路，校準(zhǔn)方法示意圖如圖2所示。

圖2  建壓時(shí)間校準(zhǔn)方法示意圖

按圖2連接線路，安裝產(chǎn)品，確認(rèn)無誤后將試驗(yàn)臺(tái)通電，激勵(lì)電源輸出24V電壓。由試驗(yàn)人員按規(guī)范進(jìn)行產(chǎn)品試驗(yàn)，按下“產(chǎn)品上電”鍵，測(cè)量系統(tǒng)向定時(shí)模塊發(fā)送指令開始計(jì)時(shí)，同時(shí)向通斷模塊發(fā)送接通指令，數(shù)字電秒表接收正電壓開始計(jì)時(shí)；產(chǎn)品壓力升至P₁，測(cè)量系統(tǒng)向計(jì)時(shí)模塊發(fā)送指令停止計(jì)時(shí)并返回測(cè)量系統(tǒng)界面建壓時(shí)間示值t₁，同時(shí)向通斷模塊發(fā)送斷開指令，數(shù)字電秒表接收不到正電壓停止計(jì)時(shí)，此時(shí)數(shù)字電秒表顯示值即為建壓時(shí)間實(shí)際值t₂。按式(1)計(jì)算出建壓時(shí)間單次示值誤差。

Δt=t₁-t₂    (1)

重復(fù)測(cè)量3次，取平均值即為建壓時(shí)間示值誤差。

4.校準(zhǔn)試驗(yàn)

表1  建壓時(shí)間校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按二、3實(shí)施校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1所示。建壓時(shí)間示值誤差絕對(duì)值<0.05s，校準(zhǔn)結(jié)果符合設(shè)備技術(shù)要求。校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度來源及分量計(jì)算如表2所示。

表2  建壓時(shí)間校準(zhǔn)結(jié)果測(cè)量不確定度分析

計(jì)算得出擴(kuò)展不確定度(k=2)約為0.005s<0.012s，滿足校準(zhǔn)要求。

三、校準(zhǔn)中的問題及建議

1.這種校準(zhǔn)方法的實(shí)施需要與專用測(cè)試設(shè)備測(cè)量系統(tǒng)開發(fā)人員和試驗(yàn)人員配合完成，對(duì)計(jì)量人員深入了解專用測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)、開發(fā)、使用情況，開拓校準(zhǔn)思路很有幫助。

2.周期校準(zhǔn)時(shí)可與試驗(yàn)人員提前溝通，與產(chǎn)品試驗(yàn)一起進(jìn)行，避免因計(jì)量工作造成設(shè)備停工而影響科研生產(chǎn)。

3.完成校準(zhǔn)后，需將連接數(shù)字電秒表的連接線標(biāo)識(shí)并做好絕緣處理，在試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)妥善放置，以方便后續(xù)校準(zhǔn)。

4.計(jì)量人員在類似專用測(cè)試時(shí)間參數(shù)的校準(zhǔn)過程中肯定會(huì)遇到不同的問題，需要具體問題具體分析，在實(shí)踐中摸索方法并試驗(yàn)驗(yàn)證，最后把校準(zhǔn)方法固化到企業(yè)自編的專用測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)規(guī)范中，以指導(dǎo)后續(xù)校準(zhǔn)工作的開展。

5.本校準(zhǔn)方法為使用PLC計(jì)時(shí)模塊測(cè)量時(shí)間的專用測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)提供了一種思路，也可以嘗試應(yīng)用其他時(shí)間測(cè)量?jī)x器或手段進(jìn)行校準(zhǔn)方法研究。

四、總結(jié)

1.本文介紹了一類專用測(cè)試設(shè)備時(shí)間參數(shù)的測(cè)量原理，通過實(shí)踐研究，提出了一種現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了測(cè)量不確定度分析，證明了校準(zhǔn)方法的可行性。

2.對(duì)校準(zhǔn)過程中可能存在的問題進(jìn)行了說明，就校準(zhǔn)前后應(yīng)注意的事項(xiàng)進(jìn)行了提醒。

3.本校準(zhǔn)方法在真實(shí)的產(chǎn)品試驗(yàn)狀態(tài)下驗(yàn)證了專用測(cè)試設(shè)備時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)性能，用戶對(duì)校準(zhǔn)過程和結(jié)果比較認(rèn)可，也契合了計(jì)量領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)、在線、原位校準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)。

4.計(jì)量人員深入科研生產(chǎn)一線，了解實(shí)際需求，解決種種量值溯源問題，是證明計(jì)量?jī)r(jià)值的最好辦法，也是不斷學(xué)習(xí)和探索的源源動(dòng)力。

本文刊發(fā)于《中國(guó)計(jì)量》雜志2020年第7期

作者：王建立  航空工業(yè)南京機(jī)電液壓工程研究中心、王智  南京飛利寧公司