專(zhuān)用測試設備是為測試產(chǎn)品特殊性能而專(zhuān)門(mén)設計制造的設備，在大型航天、航空、汽車(chē)制造等行業(yè)內被廣泛用于產(chǎn)品研發(fā)測試和性能試驗，其技術(shù)指標的準確可靠直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。專(zhuān)用測試設備測量參數多，涉及計量專(zhuān)業(yè)多，加上設備本身的獨特性，極少有適用的正式檢定規程或校準規范作指導，實(shí)際工作中多依靠計量技術(shù)人員在研究特定校準方法的基礎上形成的企業(yè)自編規范作為依據。專(zhuān)用測試設備對時(shí)間參數的測量主要有3種方式:一是利用計時(shí)儀表測量；二是調用計算機時(shí)鐘測量；三是通過(guò)可編程計時(shí)模塊測量。本文對接科研生產(chǎn)實(shí)際需求，結合計量實(shí)踐研究，對第三種測量方式的時(shí)間參數提出校準方法。

一、專(zhuān)用測試設備時(shí)間參數測量原理

某型專(zhuān)用測試設備用于油泵的性能試驗，綜合測試產(chǎn)品試驗過(guò)程中的壓力、溫度、流量、電功率及時(shí)間參數的動(dòng)態(tài)數據。其中，溫度、壓力、流量參數通過(guò)傳感器或變送器將產(chǎn)品工況轉換成標準模擬信號，經(jīng)信號調理和采集送至工控機，再按預設系數計算后顯示在測量系統數據顯示界面上；電參數測量?jì)x利用自帶數字通信功能將測得的電功率直接送工控機接收顯示；時(shí)間參數的測量由測量系統搭配相應的可編程控制器(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

被測的時(shí)間參數名稱(chēng)為建壓時(shí)間，定義描述為:從油泵上電開(kāi)始到油泵壓力達到預設值P₁所用的時(shí)間。試驗臺通電，產(chǎn)品按要求安裝完成，打開(kāi)系統測試界面，按下操作面板上的“產(chǎn)品上電”鍵，油泵開(kāi)始工作，同時(shí)系統發(fā)送指令，定時(shí)模塊開(kāi)始計時(shí)；系統顯示油泵壓力值持續上升，升至預設值P₁時(shí)，油泵斷電停止工作，同時(shí)系統發(fā)送指令，定時(shí)模塊停止計時(shí)并將測量的時(shí)間值返回顯示在界面 “建壓時(shí)間”數據框內，即為建壓時(shí)間示值t₁。

二、校準方法

1.校準設備選擇

通過(guò)原理分析，雖然時(shí)間測量功能主要由定時(shí)模塊實(shí)現，但對它進(jìn)行單獨校準并不能保證整個(gè)測量系統的技術(shù)性能，因此需進(jìn)行系統校準，即用滿(mǎn)足技術(shù)要求的校準設備對建壓時(shí)間進(jìn)行同步測量，與試驗臺測量結果直接比對來(lái)實(shí)現校準。按試驗臺技術(shù)協(xié)議，建壓時(shí)間t測量范圍為0～5s,最大允許誤差為±0.05s，考慮到校準測試不確定度比4∶1的要求，校準設備測量不確定度需≤0.012s。綜合評估后，選用數字式電秒表作為校準設備，其分辨力最高可達0.0001s，最大允許誤差為±(5×10^-5R_d+1個(gè)字)，且有多種測量模式可選。

2.校準原理

建壓時(shí)間是一段持續時(shí)間，按下通電鍵開(kāi)始，壓力升至P₁結束；數字電秒表有多種測量模式，其中選擇“測量一個(gè)正電壓持續時(shí)間”模式的改造難度最低。此種模式下，“III”-“⊥”端接通正電壓開(kāi)始計時(shí)，斷開(kāi)正電壓停止計時(shí)；只要實(shí)現按下“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(kāi)正電壓同步，就能實(shí)現建壓時(shí)間試驗測量和校準測量的同步而完成校準。正電壓可以利用試驗臺現場(chǎng)的激勵電源提供，正電壓的接通、斷開(kāi)可以利用PLC通斷模塊實(shí)現；通斷模塊的通/斷控制指令則由系統開(kāi)發(fā)人員設置與定時(shí)模塊的控制指令同步發(fā)出。

3.校準方法

選用成都鐘表廠(chǎng)生產(chǎn)的415型數字電秒表，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”；以及相應的1214C型PLC通斷模塊，測量分辨力為0.001s，通斷模塊初始狀態(tài)設為斷開(kāi)，串入激勵電源正電壓通路，校準方法示意圖如圖2所示。

圖2  建壓時(shí)間校準方法示意圖

按圖2連接線(xiàn)路，安裝產(chǎn)品，確認無(wú)誤后將試驗臺通電，激勵電源輸出24V電壓。由試驗人員按規范進(jìn)行產(chǎn)品試驗，按下“產(chǎn)品上電”鍵，測量系統向定時(shí)模塊發(fā)送指令開(kāi)始計時(shí)，同時(shí)向通斷模塊發(fā)送接通指令，數字電秒表接收正電壓開(kāi)始計時(shí)；產(chǎn)品壓力升至P₁，測量系統向計時(shí)模塊發(fā)送指令停止計時(shí)并返回測量系統界面建壓時(shí)間示值t₁，同時(shí)向通斷模塊發(fā)送斷開(kāi)指令，數字電秒表接收不到正電壓停止計時(shí)，此時(shí)數字電秒表顯示值即為建壓時(shí)間實(shí)際值t₂。按式(1)計算出建壓時(shí)間單次示值誤差。

Δt=t₁-t₂    (1)

重復測量3次，取平均值即為建壓時(shí)間示值誤差。

4.校準試驗

表1  建壓時(shí)間校準試驗數據

按二、3實(shí)施校準，校準數據如表1所示。建壓時(shí)間示值誤差絕對值<0.05s，校準結果符合設備技術(shù)要求。校準結果的測量不確定度來(lái)源及分量計算如表2所示。

表2  建壓時(shí)間校準結果測量不確定度分析

計算得出擴展不確定度(k=2)約為0.005s<0.012s，滿(mǎn)足校準要求。

三、校準中的問(wèn)題及建議

1.這種校準方法的實(shí)施需要與專(zhuān)用測試設備測量系統開(kāi)發(fā)人員和試驗人員配合完成，對計量人員深入了解專(zhuān)用測試設備的設計、開(kāi)發(fā)、使用情況，開(kāi)拓校準思路很有幫助。

2.周期校準時(shí)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備停工而影響科研生產(chǎn)。

3.完成校準后，需將連接數字電秒表的連接線(xiàn)標識并做好絕緣處理，在試驗臺現場(chǎng)妥善放置，以方便后續校準。

4.計量人員在類(lèi)似專(zhuān)用測試時(shí)間參數的校準過(guò)程中肯定會(huì )遇到不同的問(wèn)題，需要具體問(wèn)題具體分析，在實(shí)踐中摸索方法并試驗驗證，最后把校準方法固化到企業(yè)自編的專(zhuān)用測試設備校準規范中，以指導后續校準工作的開(kāi)展。

5.本校準方法為使用PLC計時(shí)模塊測量時(shí)間的專(zhuān)用測試設備校準提供了一種思路，也可以嘗試應用其他時(shí)間測量?jì)x器或手段進(jìn)行校準方法研究。

四、總結

1.本文介紹了一類(lèi)專(zhuān)用測試設備時(shí)間參數的測量原理，通過(guò)實(shí)踐研究，提出了一種現場(chǎng)校準方法并進(jìn)行了試驗驗證，對試驗結果進(jìn)行了測量不確定度分析，證明了校準方法的可行性。

2.對校準過(guò)程中可能存在的問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明，就校準前后應注意的事項進(jìn)行了提醒。

3.本校準方法在真實(shí)的產(chǎn)品試驗狀態(tài)下驗證了專(zhuān)用測試設備時(shí)間測量系統的技術(shù)性能，用戶(hù)對校準過(guò)程和結果比較認可，也契合了計量領(lǐng)域現場(chǎng)、在線(xiàn)、原位校準的發(fā)展趨勢。

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

本文刊發(fā)于《中國計量》雜志2020年第7期

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