基于离线采集模式的高低温低气压试验箱校准技术的研究

江思杰，程照明，李建刚

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，湖北 430079）

引言

随着科学技术与经济贸易的快速发展，国防科技、航空航天、电子信息化、电力工程等领域的新兴产品如雨后春笋般涌现出来。在实现产品研发的同时，确保其在贮存、运输和使用过程中的性能、可靠性与安全性是非常必要的。因此，需要通过系统化的环境试验来模拟产品贮存、运输和使用过程中的实际环境，利用检测结果判断其性能优劣，从而提高产品质量。

本文主要研究基于离线采集模式的高低温低气压试验箱校准技术，将采集电路密封于特殊材质的罐体中，引出高精度温度、压力传感器实现箱体内部数据的采集，并完成高低温低气压试验箱校准系统正样，服务于环境试验与可靠性试验中心的科研任务。此试验箱是设计验证和建设急需的高端设备。

1 技术难点

众所周知，校准是体现一台设备技术指标是否满足要求、测量参数是否可信的重要依据，传统高低温低气压试验箱校准方案由于诸多问题，使得试验数据的真实性、有效性受到质疑。

从多年从事环境试验工作经验中发现，许多客户为了确保高低温低气压试验数据真实有效，通常会要求检定人员在测试前对高低温低气压试验箱进行校准。然而在观看传统校准过程后均对其校准方式颇有微词，甚至对校准结果提出质疑。传统校准方案如图1所示，其核心思路是利用高低温低气压试验箱的外置管口连接压力表、温度表，通过记录不同条件下箱内温度与压力值来计算不确定度，从而判断其是否满足要求。

传统气压检定的校准依据为JJG 875-2005，通过压力表直接读取不同气压条件下的压力值并计算测量不确定度的方式实现，现检定装置逐渐被数字压力校验仪所取代；传统温度检定的校准依据为JJF 1101-2003以及GB 5170.2-2008，测量仪器主要采用铂电阻、热电偶或其他类似的温感元件以及二次仪表组成的测温系统，通过在箱内指定位置布点的方式采集不同温度条件下箱内的温度数据，从而计算出每个温度点的扩展不确定度。

传统高低温低气压试验箱校准所存在的问题主要包括以下几个方面：

1）由于高低温低气压试验箱内完全密封，无法建立箱内与箱外的有线、无线通信，导致直接放置小型温度、压力传感器到箱内利用数据线或无线的方式读取试验数据的方案无法实现，此外，能够同时满足高低温低气压试验箱技术指标（温度：-40～200℃，压力：0～500Pa）的温度或压力传感器非常少见，使得校准方案实施起来比较困难；

2）试验箱外虽配备外部接口只有一个，无法同时利用温度表、压力表进行校准，导致测试数据无法一一对应，影响计算精度，且极大的增加了设备校准所需的时间；

图1 传统高低温低气压试验箱校准方案

3）利用压力智能数字表虽可以实现实验数据的完整记录，但由于箱内与箱外的测试环境截然不同，且利用箱外接口测得的数据本身的有效性就值得怀疑；

4）校准时的测试数据需人工记录，不仅增大了检定人员工作量，而且提高了由于人为因素造成的误差。

针对上述问题，本文通过大量的试验研究提出了一种基于离线采集模式的高低温低气压试验箱校准方案，实现高低温低气压试验箱自动精确校准。

2 系统整体结构设计

高低温低气压试验箱校准系统的总体结构框图如图2所示，采用密封罐体结构，利用电池为传感器及芯片供电，采用离线数据采集形式，系统硬件部分主要包括温度、压力综合数据采集电路、温度传感器、压力传感器、存储卡与电池。

高低温低气压试验箱在进行产品检测时，腔内温度与压力变化较大，普通电子器件无法承受，因此，想要实现腔内真实数据实时采集，就必须通过密封罐体将采集电路、存储卡等器件保护起来。本系统中，罐体采用无释气TPFE橡胶材料作为密封垫，有效保护敏感电路，通过引出的温度、压力传感器来采集腔内的实时数据。

在环境试验中，试验箱内的压力最低可达到0.5KPa，对于压力传感器的选择至关重要。本系统采用性能优秀的陶瓷电容压力传感器，其压力测量范围为-100KPa～0～0.5KPa…100MPa，很好地满足了试验箱的性能指标。由于高低温低气压试验箱运行过程中，腔内处于全密封状态，压力传感器无法通过排气管与外部大气形成对比，因此，压力类型采用绝压式。陶瓷电容压力传感器拥有较高的测量精度，最高可达±0.1%。

图2 基于离线采集模式的高低温低气压试验箱校准系统结构图

温度传感器的发展应用已非常广泛，本系统采用稳定性较高的PT100铂电阻。众所周知，铂电阻相对于其他温度传感器，其测量精度要高很多，在计量检测领域，一般都是以铂电阻作为标准温度测量元件。标准铂电阻可以用一种严密、合理的方程来描述其电阻值与温度的关系。铂电阻的线性较好，只是在接近其范围极限时呈非线性。铂电阻每摄氏度可以改变几分之一欧姆，测量范围可达到-60～180℃，最小分辨率高达0.01，漂移量小于0.04℃/yr，极大地满足了系统测试要求。

高低温低气压试验箱校准完毕后，打开箱门，将校准系统中的存储卡取出，利用计算机软件读取采集数据，并形成表格与时间曲线图。

随着国防工业的快速发展，产品的环境与可靠性试验任务剧增，CEEC-WQ-1000高低温低气压试验箱在本中心的科研生产与检测任务中起到了至关重要的作用，对于高低温低气压试验箱的校准技术研究能够为本中心的能力建设提供有利条件：

1）解决了长久以来一直困扰的高低温低气压试验箱校准问题，降低了校准所需时间，提高了设备试验数据的可靠性；

2）可与被检设备一同置于箱内，为客户提供被测设备指定区域的实时试验数据与动态仿真模型，便于找出与解决试验中所碰到的问题；

3）研究了气压与温度之间的相互影响，推动了高低温气压试验箱校准规范的发展；

4）为本中心技术积累创造有力条件，开拓技术研究方向。

3 系统算法处理

本系统采用虚拟仪器技术，将LabVIEW2011作为开发平台，利用VISA2011驱动函数实现LR5092-20数据采集器的动态读取，并结合MySQL数据库实现高低温低气压试验箱检定信息存储与报告格式预处理，最后调用MATLAB进行参数计算与不确定的算法处理。

3.1 温度参数计算

PT100是市面上较为常见的铂电阻类温度传感器，通常情况下，技术人员根据采集到的电阻值，通过查询JB/T 8622-1997《工业铂热电阻技术条件及分度表》，即可得到相应的温度值。然而，随着信息化时代的到来，利用MATLAB来实现温度值的快速计算更加满足自动化设备的需求。

高低温低气压试验箱的温度范围为-40～200℃，根据检定规程，将检定温度范围分为-40～0℃与0～200℃。

当温度范围在-40～0℃时，铂电阻——温度关系式为：

当温度范围在0～200℃时，铂电阻——温度关系式为：

其中：

当高低温低气压试验箱在进行升降温试验时，系统能够实时采集腔内温度所对应的电阻值，之后通过计算机调用MATLAB绘制出腔内的温度变化曲线，便于技术人员更好地改善测试方案。

3.2 压力参数计算

陶瓷电容式压力传感器拥有极高的稳定性与强大的抗干扰能力，作为线性压力传感器，其压力变化系数是一个固定参量：

其中Vmax、V0分别为已知压力Pmax、P0下所测出的电压值，这些参数均由器件厂家提供。

之后，将公式（3）代入到压力换算公式（4）中即可得到当前状态下腔内的压力值。

3.3 测量不确定度计算

高低温低气压试验箱校准系统的不确定度计算完全按照国家计量技术规范JJF 1059.1-2012来执行，该标准在JJF 1059-1999的基础上进行了修订，增加了常规计量中可预先评估重复性的条款，且在合成标准不确定度评定中增加了各输入量间相关时协方差与相关系数的估计方法，弱化了给出自由度的要求。

此外，本系统还根据JJF 1059.2-2012引入了蒙特卡洛算法，此算法的核心内容是在建立测量模型的基础上采用MCM进行概率分布传播，由于数表检定中不涉及非正态分布函数，因此本系统的不确定度算法主要依据JJF 1059.1-2012来执行。

在单个检定项目完成之后，系统会进行重复性测试，当所有项目检定完毕时，系统会调用MatLab算法模块对之前的检定结果进行不确定度计算，如表1所示。

3.3.1 A类不确定度计算

高低温低气压试验箱校准系统在测试温度、压力参数时，存在重复性误差，根据检定标准，对测得的温度、压力参数进行独立重复观测，通过所得到的一系列观测值，用统计分析方法获得试验标准偏差s(x)，以算术平均值作为被测量估计值[7]，其公式为：

本系统利用贝塞尔公式法进行A类不确定度测试：

其中xi为测量值，x为标准值，n为独立测量次数。

通过调用Matlab公式节点可精确快速地计算出每个检定项目所产生的A类不确定度。

表1 不确定度来源

3.3.2 B类不确定度计算

B类评定的方法是根据有关的信息或经验，判断被测量的可能值区间假设被测量值的概率分布，根据概率分布和要求的概率p确定k，则B类标准不确定度uB可由公式（3）得到：

其中a为被测量可能值区间的半宽度，k为包含因子。

在进行高低温低气压试验箱分辨力所引起的不确定分量计算时，通过试验箱技术说明书可知，半宽度其不确定度分量的计算公式为：

3.3.3 不确定度合成

以上三个不确定度分量互不相关，其合成标准不确定度计算公式为：

4 系统实施方案

系统运行流程图如图3所示。检定人员首先启动检定系统，在开始进行高低温低气压试验箱检定之前，检定人员需确认实时采集系统置于高低温低气压试验箱的中间位置。之后，启动CEEC-WQ-1000，按检定标准设定温度与压力值，如表2所示。

此时，高低温低气压试验箱腔内的实时采集系统通过温度与压力传感器将温度与压力数据分别以电阻与电压信号形式传递到信号放大模块中，经过数据转换后存储至SD卡中。

表2 温度压力设定表

校准完毕后，取出实时采集系统的SD卡放置于与计算机连接的读取器中，检定系统应用软件自动读取本次校准的实验数据，并在设置检定报告格式的同时，将采集到的数据经算法处理模块换算后得到温度与压力测试数据，并计算出测量不确定度，最终输出检定报告，系统运行流程如图3所示。

5 验证测试结果分析

图3 系统运行流程图

图4 高低温低气压试验箱自动检定系统操作界面

本次验证试验的实验对象选用克莱美特公司生产的高低温低气压试验箱CEEC-WQ-1000，高低温低气压试验箱检定系统的操作界面如图4所示，经过长期的摸索与实践后，离线采集模式的高低温低气压试验箱校准系统设计完毕，并于去年在本中心环境与可靠性实验室中进行了验证试验。

首先进行温度校准，将校准系统放置到箱内指定位置，在常压条件下，操作CEEC-WQ-1000将温度依次设置为-65℃、-55 ℃、25.8℃、80 ℃、150 ℃，为避免记录过多的非指定温度数据，校准系统的记录时间间隔设置为1分钟。每个温度点的停留时间为10分钟左右，保证每个温度点的标准采样数据为10个，用于温度数据重复性计算。

然后进行压力校准，在常温条件下，操作CEECWQ-1000将压力依次设置为97.1kPa、55.8kPa、30.7kPa、21.0kPa、10.3kPa，每个压力点停留5分钟左右，用于压力参数平均值计算。

CEEC-WQ-1000校准操作流程完毕后，取出SD卡放置与读卡器中，计算机上的校准应用软件将会自动读取并筛选出温度值为-65℃、-55℃、常温、80℃、150℃的相应参数以及常温下压力值为97.1kPa、55.8kPa、30.7kPa、21.0kPa、10.3kPa的相应参数并计算平均值，最后求解测量不确定度。由于温度参数较多，仅给出压力测量结果如表3所示。

通过表3的验证结果可知，基于离线采集模式的高低温低气压试验箱校准系统攻克了长久以来未能解决的技术难点，提高了高低温低气压试验箱校准技术的可靠性，在效率与计算精度上远高于人工测量，为本中心的能力建设做出了巨大的贡献。

表3 压力校准数据/结果

6 总结

本文分析了传统高低温低气压试验箱校准方案的不足之处，阐述了新型的高低温低气压试验箱校准研究的技术难点与可行性方案，设计出了一种基于离线采集模式的高低温低气压试验箱校准系统，并通过大量试验数据验证了该系统的可靠性，满足本中心的技术指标要求，极大地提高了本中心的工作效率与影响力，为后续的规范化建设打下了夯实的基础。

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