空盒气压表检定压力控制器的设计及应用

茅晓晨

（上海市计量测试技术研究院，上海 201203）

空盒气压表检定设备可以实现气压示值和温度系数的自动检定，提高仪表检定、校准的工作效率以及操作准确度，简化计量工作流程，降低工作强度。

1 空盒气压表检定

1.1 动作过程

压力控制的动作过程为：设备启动时真空泵、DT1高压电磁阀、DT2低压电磁阀都给电。泵的DT1高压电磁阀用于给后端增加压力，而DT2低压电磁阀用于给后端减小压力。需要注意的是，高压和低压两侧各有一个节流阀，分别用来调节正负气压流量的（规程要求5hPa/min），气体流量的大小直接影响气压室的压力值精度和稳定性[1]。

图1 示值检定箱气动原理图Fig.1 Aerodynamic schematic diagram of the display value verification box

1）当箱内气压＜检定点气压时，真空泵对DT1高压电磁阀加压，当箱内气压达到预先设定的高压缓冲罐气压时（略高于检定点），真空泵和DT1高压电磁阀断电，同时打开DT3高压稳定阀，使得高压缓冲罐和箱内气压相通，以调节箱内气压。当箱内气压达到设定点时，使DT3高压稳定阀关闭，箱内进入保压阶段，达到一定时间后进行电磁铁敲击，再进行送检空盒气压表读数。

2）当箱内气压＞检定点气压时，真空泵对DT2低压电磁阀减压；当箱内气压达到预先设定的低压缓冲罐气压时（略低于检定点），真空泵和DT2低压电磁阀断电，同时打开DT4低压稳定阀，使得低压缓冲罐和箱内气压相通，以调节箱内气压。当箱内气压达到设定点时，使DT4低压稳定阀关闭，箱内进入保压阶段，达到一定时间后进行电磁铁敲击，再进行送检空盒气压表读数。

1.2 控制变量

根据图1所示的检定箱气动原理图，可以整理归纳出要控制的节点类型[2]。

DO1：真空泵继电器

DO2：DT1高压阀继电器

DO3：DT2低压阀继电器

DO4：DT3高压稳定阀继电器

DO5：DT4低压稳定阀继电器

DO6：电磁铁继电器（手动）

图2 检定系统软件界面图Fig.2 Software interface diagram of verification system

AI1：高压缓冲罐压力传感器

AI2：低压缓冲罐压力传感器

AI3：气压箱压力传感器

AI4：气压箱温度传感器

AI5：气压标准器（mA或者232输出）

检定设备可对3种气压仪器进行检定：

1）空盒气压表，包括平原空盒表（800 hPa～1050hPa）检定点依次为：1050、1010、960、910、860、810、800、810、860、910、960、1010、1050，共13个检定点。高原空盒表（500hPa～1050hPa），检定点依次为：1050、1010、960、910、860、810、760、710、660、610、560、510、500、510、560、610、660、710、760、810、860、910、960、1010、1050，共25个检定点。

2）空盒气压计，检定过程同样是高压至低压再至高压（900hPa～1050hPa），检定点依次为：1050、1010、960、900、960、1010、1050，共7个检定点。

3）振筒类气压仪，检定装置预留了多个机械分支口与气压箱相通以放便检定连接。

因此，控制系统与检定点对应的变量表包括：m总检定点数、n换向点数、P[m]逐个检定点气压值。由于被检气压表没有电信号接口，需要人工输入各个被检表的示值。

1.3 温度系数

空盒气压表附属温度表标度范围为-11.0℃～41.0℃，最大允许误差为±1.0℃。温度系数Kt用公式求出：

Kt=（∆P1-∆P2）/（t1-t2）（hPa/℃，取两位小数）

图3 开环控制图Fig.3 Open-loop control chart

图4 闭环控制图Fig.4 Closed-loop control chart

图5 控制过程图Fig.5 Control process diagram

式中：∆P1在高温点，标准气压值和空盒气压表、空盒气压计气压示值的气压差值，hPa；∆P2在高温点，标准气压值和空盒气压表、空盒气压计气压示值的气压差值，hPa；t1高温点的温度值，℃；t2低温点的温度值，℃。具体温度系数的数值要求范围见《JJG272-2007空盒气压表和空盒气压计检定规程》表1中的内容[3,4]。

图6 寄存器设置图Fig.6 Register setup diagram

2 PID控制原理

PID控制包括定位点设置、偏差计算、比例控制、积分控制和微分控制。PID控制算法包括IND和ISA两种方式：

dt是测量时间，Derivative是导数值，可以为（当前误差-以前误差）/dt，也可以配置为（当前测量值-以前测量值）/dt，Ti是积分时间，Td是微分时间。K是按PVstep/Cvstep计算开环增益。Kp是比例增益，最终反馈给系统的错误值的数量。Ki是积分增益，时间越快，积分部分的增益就越大。Kd是导数增益，表示有多少变化率反馈给系统。SP是设定点，为需要达到和维护的值。PV是过程变量，为过程的测量输出的压力值。CV是控制变量，将PID函数应用于控制过程的结果，而这个值包含比例、积分、微分和偏置的分量[5]。

IND方式采用标准PID算法，调节效果更精确，适用于专家级或精度要求严格的项目。而ISA方式调节简单、快速，但精度效果一般，适用于初级应用或精度要求一般的项目。在一些典型的工业过程控制中，往往需要控制一个过程参数，如温度或压力值，可以应用开环控制。

图7 PID功能模块调用梯形图Fig.7 PID Function module call trapezoidal diagram

在这样的系统中，控制器接收来自用户的设定值。然后控制器生成一个值再发送，称为控制变量。而所需的参数是流程变量，它根据流程控制器发送的值进行更改。流程控制器无法确定流程是否实际生成了正确的流程变量[6]。

在要求响应速度的许多情况下，这就足够了。但这些假设往往是不正确或不准确的。大多数过程控制系统使用闭环反馈，也做闭环系统。动作的控制器称为比例控制器。实际上，误差实际上是全范围误差的一部分（通常用百分比表示）。控制过程需要更长的时间，但是完全控制更准确。图5仅为比例控制下的典型过程。

PID功能块地址、期望值寄存器地址、过程值寄存器地址、控制值寄存器地址、手动控制寄存器地址、手动上升寄存器地址、调节参数设置选项、自学习功能选项、手动下降寄存器地址。

3 结论

研究了空盒气压表气压示值误差和温度系数的检定过程，依据示值检定箱执行机构的气动工作原理，整理出控制方案，空盒气压表检定设备可以实现气压示值和温度系数的自动检定，提高了仪表检定/校准的工作效率。