專用測試設備是為測試產(chǎn)品特殊性能而專門設計制造的設備，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。專用測試設備測量參數(shù)多，涉及計量專業(yè)多，加上設備本身的獨特性，極少有適用的正式檢定規(guī)程或校準規(guī)范作指導，實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(chǔ)上形成的企業(yè)自編規(guī)范作為依據(jù)。專用測試設備對時間參數(shù)的測量主要有3種方式:一是利用計時儀表測量；二是調(diào)用計算機時鐘測量；三是通過可編程計時模塊測量。本文對接科研生產(chǎn)實際需求，結(jié)合計量實踐研究，對第三種測量方式的時間參數(shù)提出校準方法。

一、專用測試設備時間參數(shù)測量原理

某型專用測試設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)換成標準模擬信號，經(jīng)信號調(diào)理和采集送至工控機，再按預設系數(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接收顯示；時間參數(shù)的測量由測量系統(tǒng)搭配相應的可編程控制器(PLC)定時模塊完成。整體原理框圖如圖1所示。

圖1  某型油泵原理框圖

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到預設值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，升至預設值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、校準方法

1.校準設備選擇

通過原理分析，雖然時間測量功能主要由定時模塊實現(xiàn)，但對它進行單獨校準并不能保證整個測量系統(tǒng)的技術(shù)性能，因此需進行系統(tǒng)校準，即用滿足技術(shù)要求的校準設備對建壓時間進行同步測量，與試驗臺測量結(jié)果直接比對來實現(xiàn)校準。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(shù)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個字)，且有多種測量模式可選。

2.校準原理

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測量的同步而完成校準。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)人員設置與定時模塊的控制指令同步發(fā)出。

3.校準方法

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+時基)，時基選擇0.001s，模式置“連續(xù)”；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，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  建壓時間校準方法示意圖

按圖2連接線路，安裝產(chǎn)品，確認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)

重復測量3次，取平均值即為建壓時間示值誤差。

4.校準試驗

表1  建壓時間校準試驗數(shù)據(jù)

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

表2  建壓時間校準結(jié)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，滿足校準要求。

三、校準中的問題及建議

1.這種校準方法的實施需要與專用測試設備測量系統(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備的設計、開發(fā)、使用情況，開拓校準思路很有幫助。

2.周期校準時可與試驗人員提前溝通，與產(chǎn)品試驗一起進行，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(shù)字電秒表的連接線標識并做好絕緣處理，在試驗臺現(xiàn)場妥善放置，以方便后續(xù)校準。

4.計量人員在類似專用測試時間參數(shù)的校準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，最后把校準方法固化到企業(yè)自編的專用測試設備校準規(guī)范中，以指導后續(xù)校準工作的開展。

5.本校準方法為使用PLC計時模塊測量時間的專用測試設備校準提供了一種思路，也可以嘗試應用其他時間測量儀器或手段進行校準方法研究。

四、總結(jié)

1.本文介紹了一類專用測試設備時間參數(shù)的測量原理，通過實踐研究，提出了一種現(xiàn)場校準方法并進行了試驗驗證，對試驗結(jié)果進行了測量不確定度分析，證明了校準方法的可行性。

2.對校準過程中可能存在的問題進行了說明，就校準前后應注意的事項進行了提醒。

3.本校準方法在真實的產(chǎn)品試驗狀態(tài)下驗證了專用測試設備時間測量系統(tǒng)的技術(shù)性能，用戶對校準過程和結(jié)果比較認可，也契合了計量領(lǐng)域現(xiàn)場、在線、原位校準的發(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，也是不斷學習和探索的源源動力。

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