一、專用測試設(shè)備時間參數(shù)測量原理
某型專用測試設(shè)備用于油泵的性能試驗,綜合測試產(chǎn)品試驗過程中的壓力、溫度、流量、電功率及時間參數(shù)的動態(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,經(jīng)信號調(diào)理和采集送至工控機(jī),再按預(yù)設(shè)系數(shù)計算后顯示在測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示界面上;電參數(shù)測量儀利用自帶數(shù)字通信功能將測得的電功率直接送工控機(jī)接收顯示;時間參數(shù)的測量由測量系統(tǒng)搭配相應(yīng)的可編程控制器(PLC)定時模塊完成。整體原理框圖如圖1所示。
被測的時間參數(shù)名稱為建壓時間,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所用的時間。試驗臺通電,產(chǎn)品按要求安裝完成,打開系統(tǒng)測試界面,按下操作面板上的“產(chǎn)品上電”鍵,油泵開始工作,同時系統(tǒng)發(fā)送指令,定時模塊開始計時;系統(tǒng)顯示油泵壓力值持續(xù)上升,升至預(yù)設(shè)值P1時,油泵斷電停止工作,同時系統(tǒng)發(fā)送指令,定時模塊停止計時并將測量的時間值返回顯示在界面 “建壓時間”數(shù)據(jù)框內(nèi),即為建壓時間示值t1。
二、校準(zhǔn)方法
1.校準(zhǔn)設(shè)備選擇
通過原理分析,雖然時間測量功能主要由定時模塊實現(xiàn),但對它進(jìn)行單獨校準(zhǔn)并不能保證整個測量系統(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)備對建壓時間進(jìn)行同步測量,與試驗臺測量結(jié)果直接比對來實現(xiàn)校準(zhǔn)。按試驗臺技術(shù)協(xié)議,建壓時間t測量范圍為0~5s,最大允許誤差為±0.05s,考慮到校準(zhǔn)測試不確定度比4∶1的要求,校準(zhǔn)設(shè)備測量不確定度需≤0.012s。綜合評估后,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±(5×10-5Rd+1個字),且有多種測量模式可選。
2.校準(zhǔn)原理
建壓時間是一段持續(xù)時間,按下通電鍵開始,壓力升至P1結(jié)束;數(shù)字電秒表有多種測量模式,其中選擇“測量一個正電壓持續(xù)時間”模式的改造難度最低。此種模式下,“III”-“⊥”端接通正電壓開始計時,斷開正電壓停止計時;只要實現(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,就能實現(xiàn)建壓時間試驗測量和校準(zhǔn)測量的同步而完成校準(zhǔn)。正電壓可以利用試驗臺現(xiàn)場的激勵電源提供,正電壓的接通、斷開可以利用PLC通斷模塊實現(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±(5×10-5Rd+時基),時基選擇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,串入激勵電源正電壓通路,校準(zhǔn)方法示意圖如圖2所示。
按圖2連接線路,安裝產(chǎn)品,確認(rèn)無誤后將試驗臺通電,激勵電源輸出24V電壓。由試驗人員按規(guī)范進(jìn)行產(chǎn)品試驗,按下“產(chǎn)品上電”鍵,測量系統(tǒng)向定時模塊發(fā)送指令開始計時,同時向通斷模塊發(fā)送接通指令,數(shù)字電秒表接收正電壓開始計時;產(chǎn)品壓力升至P1,測量系統(tǒng)向計時模塊發(fā)送指令停止計時并返回測量系統(tǒng)界面建壓時間示值t1,同時向通斷模塊發(fā)送斷開指令,數(shù)字電秒表接收不到正電壓停止計時,此時數(shù)字電秒表顯示值即為建壓時間實際值t2。按式(1)計算出建壓時間單次示值誤差。
Δt=t1-t2 (1)
重復(fù)測量3次,取平均值即為建壓時間示值誤差。
4.校準(zhǔn)試驗
表1 建壓時間校準(zhǔn)試驗數(shù)據(jù)
按二、3實施校準(zhǔn),校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1所示。建壓時間示值誤差絕對值<0.05s,校準(zhǔn)結(jié)果符合設(shè)備技術(shù)要求。校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度來源及分量計算如表2所示。
計算得出擴(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)方法的實施需要與專用測試設(shè)備測量系統(tǒng)開發(fā)人員和試驗人員配合完成,對計量人員深入了解專用測試設(shè)備的設(shè)計、開發(fā)、使用情況,開拓校準(zhǔn)思路很有幫助。
2.周期校準(zhǔn)時可與試驗人員提前溝通,與產(chǎn)品試驗一起進(jìn)行,避免因計量工作造成設(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)識并做好絕緣處理,在試驗臺現(xiàn)場妥善放置,以方便后續(xù)校準(zhǔn)。
4.計量人員在類似專用測試時間參數(shù)的校準(zhǔn)過程中肯定會遇到不同的問題,需要具體問題具體分析,在實踐中摸索方法并試驗驗證,最后把校準(zhǔn)方法固化到企業(yè)自編的專用測試設(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計時模塊測量時間的專用測試設(shè)備校準(zhǔn)提供了一種思路,也可以嘗試應(yīng)用其他時間測量儀器或手段進(jìn)行校準(zhǔn)方法研究。
四、總結(jié)
1.本文介紹了一類專用測試設(shè)備時間參數(shù)的測量原理,通過實踐研究,提出了一種現(xiàn)場校準(zhǔn)方法并進(jìn)行了試驗驗證,對試驗結(jié)果進(jìn)行了測量不確定度分析,證明了校準(zhǔn)方法的可行性。
2.對校準(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)注意的事項進(jìn)行了提醒。
3.本校準(zhǔn)方法在真實的產(chǎn)品試驗狀態(tài)下驗證了專用測試設(shè)備時間測量系統(tǒng)的技術(shù)性能,用戶對校準(zhǔn)過程和結(jié)果比較認(rèn)可,也契合了計量領(lǐng)域現(xiàn)場、在線、原位校準(zhǔn)的發(fā)展趨勢。
4.計量人員深入科研生產(chǎn)一線,了解實際需求,解決種種量值溯源問題,是證明計量價值的最好辦法,也是不斷學(xué)習(xí)和探索的源源動力。
本文刊發(fā)于《中國計量》雜志2021年第1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
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