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，其技術指標的準確可靠直接影響產(chǎn)品質量。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人員在研究特定校準方法的基礎上形成的企業(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)的技術性能，因此需進行系統(tǒng)校準，即用滿足技術要求的校準設備對建壓時間進行同步測量，與試驗臺測量結果直接比對來實現(xiàn)校準。按試驗臺技術協(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，校準結果符合設備技術要求。校準結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

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)的技術性能，用戶對校準過程和結果比較認可，也契合了計量領域現(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