专用测试设备是为测试产品特殊性能而专门设计制造的设备，在大型航天、航空、汽车制造等行业内被广泛用于产品研发测试和性能试验，其技术指标的准确可靠直接影响产品质量。专用测试设备测量参数多，涉及计量专业多，加上设备本身的独特性，极少有适用的正式检定规程或校准规范作指导，实际工作中多依靠计量技术人员在研究特定校准方法的基础上形成的企业自编规范作为依据。专用测试设备对时间参数的测量主要有3种方式:一是利用计时仪表测量；二是调用计算机时钟测量；三是通过可编程计时模块测量。本文对接科研生产实际需求，结合计量实践研究，对第三种测量方式的时间参数提出校准方法。

一、专用测试设备时间参数测量原理

某型专用测试设备用于油泵的性能试验，综合测试产品试验过程中的压力、温度、流量、电功率及时间参数的动态数据。其中，温度、压力、流量参数通过传感器或变送器将产品工况转换成标准模拟信号，经信号调理和采集送至工控机，再按预设系数计算后显示在测量系统数据显示界面上；电参数测量仪利用自带数字通信功能将测得的电功率直接送工控机接收显示；时间参数的测量由测量系统搭配相应的可编程控制器(PLC)定时模块完成。整体原理框图如图1所示。

图1  某型油泵原理框图

被测的时间参数名称为建压时间，定义描述为:从油泵上电开始到油泵压力达到预设值P₁所用的时间。试验台通电，产品按要求安装完成，打开系统测试界面，按下操作面板上的“产品上电”键，油泵开始工作，同时系统发送指令，定时模块开始计时；系统显示油泵压力值持续上升，升至预设值P₁时，油泵断电停止工作，同时系统发送指令，定时模块停止计时并将测量的时间值返回显示在界面 “建压时间”数据框内，即为建压时间示值t₁。

二、校准方法

1.校准设备选择

通过原理分析，虽然时间测量功能主要由定时模块实现，但对它进行单独校准并不能保证整个测量系统的技术性能，因此需进行系统校准，即用满足技术要求的校准设备对建压时间进行同步测量，与试验台测量结果直接比对来实现校准。按试验台技术协议，建压时间t测量范围为0～5s,最大允许误差为±0.05s，考虑到校准测试不确定度比4∶1的要求，校准设备测量不确定度需≤0.012s。综合评估后，选用数字式电秒表作为校准设备，其分辨力最高可达0.0001s，最大允许误差为±(5×10^-5R_d+1个字)，且有多种测量模式可选。

2.校准原理

建压时间是一段持续时间，按下通电键开始，压力升至P₁结束；数字电秒表有多种测量模式，其中选择“测量一个正电压持续时间”模式的改造难度最低。此种模式下，“III”-“⊥”端接通正电压开始计时，断开正电压停止计时；只要实现按下“产品上电”键与电秒表接通正电压同步，压力值升至P₁与电秒表断开正电压同步，就能实现建压时间试验测量和校准测量的同步而完成校准。正电压可以利用试验台现场的激励电源提供，正电压的接通、断开可以利用PLC通断模块实现；通断模块的通/断控制指令则由系统开发人员设置与定时模块的控制指令同步发出。

3.校准方法

选用成都钟表厂生产的415型数字电秒表，最大允许误差为±(5×10^-5R_d+时基)，时基选择0.001s，模式置“连续”；以及相应的1214C型PLC通断模块，测量分辨力为0.001s，通断模块初始状态设为断开，串入激励电源正电压通路，校准方法示意图如图2所示。

图2  建压时间校准方法示意图

按图2连接线路，安装产品，确认无误后将试验台通电，激励电源输出24V电压。由试验人员按规范进行产品试验，按下“产品上电”键，测量系统向定时模块发送指令开始计时，同时向通断模块发送接通指令，数字电秒表接收正电压开始计时；产品压力升至P₁，测量系统向计时模块发送指令停止计时并返回测量系统界面建压时间示值t₁，同时向通断模块发送断开指令，数字电秒表接收不到正电压停止计时，此时数字电秒表显示值即为建压时间实际值t₂。按式(1)计算出建压时间单次示值误差。

Δt=t₁-t₂    (1)

重复测量3次，取平均值即为建压时间示值误差。

4.校准试验

表1  建压时间校准试验数据

按二、3实施校准，校准数据如表1所示。建压时间示值误差绝对值<0.05s，校准结果符合设备技术要求。校准结果的测量不确定度来源及分量计算如表2所示。

表2  建压时间校准结果测量不确定度分析

计算得出扩展不确定度(k=2)约为0.005s<0.012s，满足校准要求。

三、校准中的问题及建议

1.这种校准方法的实施需要与专用测试设备测量系统开发人员和试验人员配合完成，对计量人员深入了解专用测试设备的设计、开发、使用情况，开拓校准思路很有帮助。

2.周期校准时可与试验人员提前沟通，与产品试验一起进行，避免因计量工作造成设备停工而影响科研生产。

3.完成校准后，需将连接数字电秒表的连接线标识并做好绝缘处理，在试验台现场妥善放置，以方便后续校准。

4.计量人员在类似专用测试时间参数的校准过程中肯定会遇到不同的问题，需要具体问题具体分析，在实践中摸索方法并试验验证，最后把校准方法固化到企业自编的专用测试设备校准规范中，以指导后续校准工作的开展。

5.本校准方法为使用PLC计时模块测量时间的专用测试设备校准提供了一种思路，也可以尝试应用其他时间测量仪器或手段进行校准方法研究。

四、总结

1.本文介绍了一类专用测试设备时间参数的测量原理，通过实践研究，提出了一种现场校准方法并进行了试验验证，对试验结果进行了测量不确定度分析，证明了校准方法的可行性。

2.对校准过程中可能存在的问题进行了说明，就校准前后应注意的事项进行了提醒。

3.本校准方法在真实的产品试验状态下验证了专用测试设备时间测量系统的技术性能，用户对校准过程和结果比较认可，也契合了计量领域现场、在线、原位校准的发展趋势。

4.计量人员深入科研生产一线，了解实际需求，解决种种量值溯源问题，是证明计量价值的最好办法，也是不断学习和探索的源源动力。

本文刊发于《中国计量》杂志2020年第7期

作者：王建立  航空工业南京机电液压工程研究中心、王智  南京飞利宁公司