便攜式熱工儀表檢定儀的設(shè)計(jì)原理及示值誤差檢定方法

便攜式熱工儀表檢定儀(以下簡(jiǎn)稱“檢定儀”)是我們研制開發(fā)的一種新型的熱工儀表檢定裝置。該產(chǎn)品采用大規(guī)模集成電路、數(shù)字顯示技術(shù)，把標(biāo)準(zhǔn)電壓(毫伏)發(fā)生器、調(diào)節(jié)、顯示組成一體，具有操作簡(jiǎn)便、讀數(shù)準(zhǔn)確、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。改變了以往對(duì)二次熱工儀表檢定所采用的逐盤轉(zhuǎn)動(dòng)直流電位差計(jì)進(jìn)行平衡讀數(shù)的傳統(tǒng)方法，提高了檢定效率。另外，設(shè)有電勢(shì)正負(fù)轉(zhuǎn)換開關(guān)，為電子電位差計(jì)等具有溫度補(bǔ)償?shù)臒峁x表的零位檢定與修理提供了方便。

一、設(shè)計(jì)原理

1.檢定儀的基本構(gòu)成

該儀器采用大規(guī)模集成電路7135，它是一種雙積分式轉(zhuǎn)換器，配以譯碼器、數(shù)碼顯示器、驅(qū)動(dòng)器及電阻、電容等元件，可組成滿量程為2V的數(shù)字電壓表，再配以高精度的運(yùn)算放大器、毫伏信號(hào)發(fā)生器、雙穩(wěn)觸發(fā)器、繼電器等，就可構(gòu)成自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程的熱工儀表檢定儀。原理如圖1所示。

2.雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器工作原理

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器通過二次積分，將被測(cè)電壓變成一個(gè)時(shí)間間隔，其持續(xù)時(shí)間與被測(cè)電壓的平均值成正比。如果用計(jì)數(shù)器測(cè)量此時(shí)間間隔，就可在顯示器上直接讀出被測(cè)電壓的平均值。原理如圖2所示。

輸入被測(cè)電壓UX經(jīng)輸入電路作用到電子開關(guān)，控制器將電子開關(guān)接到UX端，以UX作用到積分器，先對(duì)UX積分，這個(gè)過程稱為采樣階段。由于邏輯控制電路發(fā)出采樣指令的作用，使采樣時(shí)間T1是固定值，同時(shí)，控制器使門開啟，時(shí)鐘脈沖通入計(jì)數(shù)器，使計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿時(shí)，輸出溢出脈沖作用到控制器，然后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓UR進(jìn)行反向積分。當(dāng)積分器輸出為零電平時(shí)，檢零比較器輸出信號(hào)作用到控制器，使門關(guān)閉，這時(shí)計(jì)數(shù)器所計(jì)時(shí)鐘脈沖就是被測(cè)電壓的數(shù)字量。對(duì)UR的積分過程稱為比較階段，比較時(shí)間為T2。工作波形如圖3所示。

設(shè)積分器從零電平開始對(duì)UX積分，積分器輸出為

式中:——UX在T1時(shí)間內(nèi)的平均值。

經(jīng)過一個(gè)固定時(shí)間T1后，計(jì)數(shù)器達(dá)到其滿量限N1值，采樣周期結(jié)束，積分器由U01開始，對(duì)UR反面積分，直到輸出為零時(shí)停止，這時(shí)積分器輸出為:

由于UR為常數(shù)，因此

將式(1)代入式(3)得

所以

由式(5)可見T2與UX成正比。

設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為f0，則

(N1、N2為脈沖數(shù)) (7)

將式(6)、式(7)代入式(5)則有:

考慮工頻為50Hz，通常取T1=20ms或它的整數(shù)倍，f0是固定的鐘頻，所以N1為一個(gè)常數(shù)?；鶞?zhǔn)電壓UR也為一個(gè)恒定量，因而只要知道計(jì)數(shù)器在比較階段所計(jì)脈沖數(shù)N2，就可以準(zhǔn)確地得到被測(cè)電壓UX的平均值。

因?yàn)槭菍?duì)平均值測(cè)量而不是對(duì)瞬時(shí)值進(jìn)行測(cè)量，可將對(duì)稱的串模干擾平均抵消掉，所以抗干擾能力很強(qiáng)。只要積分采樣時(shí)間T1為干擾信號(hào)周期的整數(shù)倍，就有極高的串模抑制比。這種原理的數(shù)字電壓表準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，其主要原因是UX和UR共用一個(gè)積分器及鐘頻，式(8)中不存在積分元件R和C變化的影響，降低了對(duì)積分器的要求。此外，測(cè)量比較時(shí)間T2的標(biāo)準(zhǔn)脈沖不需要長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。因?yàn)榻?jīng)V/T變換后的時(shí)間T2正比于T1，若T1有變化，T2也隨之變化，只要兩者變化速率相同，則對(duì)測(cè)量結(jié)果不產(chǎn)生誤差。

為了解決該儀器的穩(wěn)定性和末尾數(shù)跳字的問題，采用了高質(zhì)量的積分電容，準(zhǔn)確度高的電阻。變壓器的初、次級(jí)進(jìn)行有效地屏蔽和可靠的分離，在信號(hào)的輸入端加上RC濾波器、采用帶有靜電屏蔽的儀器外殼對(duì)整個(gè)電子線路部分進(jìn)行有效屏蔽等。這些都可靠保證了該儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

二、主要技術(shù)數(shù)據(jù)

1.量程

(1)量程1:(-3.000～19.999)mV；

(2)量程2:(18.00～199.99)mV；

量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

2.準(zhǔn)確度

本檢定儀在通電預(yù)熱調(diào)零后，在溫度(20±5)℃范圍內(nèi)不低于下述規(guī)定:

(1)量程1:±(0.05%搖讀數(shù)+5個(gè)字) (9)

(2)量程2:±(0.05%搖讀數(shù)+2個(gè)字) (10)

三、使用中需要說明的幾個(gè)問題

1.顯示位數(shù)

我們來看一下“檢定儀”的顯示位數(shù)問題，當(dāng)使用1量程時(shí)，即(-3.000～19.999)mV，小數(shù)點(diǎn)后有3位顯示，不成問題。當(dāng)使用2量程時(shí)，即(18.00～199.99)mV，小數(shù)點(diǎn)后有兩位顯示，分辨力為0.01mV。假設(shè)有一個(gè)0.5級(jí)(0～500)℃K分的被檢表，經(jīng)查表得:E500=20.650mV，此表允許誤差=0.5%×20.650=0.10325mV≈0.10mV。由此可看出小數(shù)點(diǎn)后兩位已達(dá)到檢定要求，即使能讀出小數(shù)點(diǎn)后3位也是無(wú)意義的。

2.設(shè)定外接電阻

該“檢定儀”設(shè)定了3個(gè)外接電阻，分別為0Ω、5Ω、15Ω，在檢定時(shí)一定要按照被檢表要求選擇相應(yīng)阻值，若被檢表要求的外接電阻值“檢定儀”沒有配備，應(yīng)在外線路上串接所需阻值再進(jìn)行檢定，否則會(huì)帶來人為誤差。特別是當(dāng)檢定一個(gè)表發(fā)現(xiàn)誤差很大需要修理時(shí)，更應(yīng)考慮是否因人為的疏忽或檢定方法不當(dāng)造成的。

3.誤差補(bǔ)償

“檢定儀”在周期檢定時(shí)，若基本誤差不符合要求，可按以下步驟對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。

(1)先調(diào)整量程1:調(diào)整A/D轉(zhuǎn)換片7135的基準(zhǔn)電壓電位器R1，直到顯示值符合要求。如圖4所示。

定運(yùn)算放大器放大倍數(shù)為K，7135顯示數(shù)為:

若實(shí)際放大倍數(shù)(K″為附加倍率)

這時(shí)

我們可調(diào)整UR為，使

則

即為我們所設(shè)定要求。

(2)在調(diào)整好量程1的基礎(chǔ)上，再對(duì)量程2進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整運(yùn)算放大器反饋電位器R4直到顯示值符合準(zhǔn)確度要求。

四、示值誤差檢定方法

由于檢定儀在原理上屬于電子式儀表，是一種特殊類型的直流數(shù)字電壓表，所以在檢定時(shí)應(yīng)該按照直流數(shù)字電壓表的檢定規(guī)程進(jìn)行。

直流數(shù)字電壓表的誤差檢定方法從原理上一般可歸納為直流標(biāo)準(zhǔn)電壓發(fā)生器法、直流比較法、直流標(biāo)準(zhǔn)儀器法3種。

具體采用哪一種方法，可根據(jù)所具有的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和被檢儀器的級(jí)別選擇一種最合適、最經(jīng)濟(jì)可靠而又簡(jiǎn)便的方法。

根據(jù)該檢定儀的設(shè)計(jì)原理及準(zhǔn)確度(0.05級(jí))，我們選擇用直流電位差計(jì)做標(biāo)準(zhǔn)的檢定方法(直流標(biāo)準(zhǔn)儀器法)。該方法是用直流電位差計(jì)(UJ51)和被檢檢定儀測(cè)量同一電壓，以直流電位差計(jì)的讀數(shù)為實(shí)際值求出被檢檢定儀的示值誤差。由于檢定儀輸入電阻很高，用直流電位差計(jì)可直接檢定檢定儀，此時(shí)可把直流電位差計(jì)作為一個(gè)直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源，從其未知電壓端(即X端)輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)給被檢檢定儀。如圖5所示。

當(dāng)直流電位差計(jì)輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓UN(用其讀數(shù)盤讀數(shù))，被檢檢定儀顯示讀數(shù)UX，檢定儀的基本誤差按照檢定規(guī)程應(yīng)表示為

Δ=±(a%UX+b%Um) (11)

式中:UX——檢定儀顯示值；Um——檢定儀滿刻度值；a——檢定儀準(zhǔn)確度級(jí)別；b——與滿刻度值有關(guān)的誤差系數(shù)。

檢定儀允許誤差應(yīng)小于等于式(8)、式(9)。

在檢定時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題:

1.應(yīng)使用0.01及以上級(jí)準(zhǔn)確度低電勢(shì)直流電位差計(jì)(滿足計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置綜合誤差小于被檢檢定儀允許誤差的1/5)。以便檢定儀最大量程的測(cè)量上限不高于所用直流電位差計(jì)的測(cè)量上限，并保證直流電位差計(jì)在第一個(gè)十進(jìn)盤有大于零的示值。其測(cè)量盤的最小步進(jìn)值應(yīng)小于檢定儀的靈敏度，以保證檢定的準(zhǔn)確度。

2.檢定前先進(jìn)行預(yù)熱調(diào)零。操作步驟如下:“檢定儀”外接電阻開關(guān)于“0Ω”擋，儀表、熱偶開關(guān)處于“熱偶”位置，并將接線端“+”、“-”短路，通電預(yù)熱一小時(shí)后進(jìn)行調(diào)零，然后去掉短路線，接上直流電位差計(jì)進(jìn)行。若檢定時(shí)直流電位差計(jì)量程不滿足，可使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池串聯(lián)使用二倍直流電位差計(jì)工作電壓來擴(kuò)展量程進(jìn)行檢定。

3.檢定時(shí)若直流電位差計(jì)檢流計(jì)靈敏度不夠，可加放大器以提高檢流計(jì)靈敏度。

4.檢定設(shè)備應(yīng)有良好的屏蔽、接地措施，避免串模、共模干擾，以消除泄漏電流的影響。

5.檢定點(diǎn)在各量程均勻選取10點(diǎn)進(jìn)行，上升下降各測(cè)量一次。