CN101339815B - 过程校验仪及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过程校验仪及其设计方法。它由输入通道、输出通道、基准电压、恒流源、控制、键盘、显示、通信和存储单元组成。过程校验仪输入、输出通道具有不同的设计精度，输入通道按高精度指标设计，并用超高精度的过程认证校正设备标定，建立标定基准表；输出通道则按降级精度指标设计，输出通道按降级精度指标设计有助于降低过程校验仪成本，提高成品率，而输出通道的精度则借助高精度输入通道和标定基准表，采用实时闭环反馈校正技术加以提升，使过程校验仪具有高性价比和高精度。基准融合的自校正技术，有效克服了过程校验仪测量通道因时间漂移、温度漂移等因素导致的不确定性，确保过程校验仪具有长期的高精度和高稳定性。

Description

过程校验仪及其设计方法

技术领域

本发明涉及仪器仪表领域，尤其涉及一种过程校验仪及其设计方法。

背景技术

随着生产过程装置的大型化、集约化，配套的高精度数字仪表大量投入使用。生产过程的安全、可靠、经济、高效运行必须依靠安装在工业装置流程管线上的数字测控仪表，如：传感器、变送器、调节器、执行器等来监测和调节生产工艺过程参数。根据国家计量法和各行业有关规程，为保证测量数据的准确性和溯源性，必须定期对其进行检定和维护。测控仪表的检定和维护需配置以下设备：精密电阻箱、电位差计、数字多用表、冷端温度计等设备，以及热电偶、热电阻分度查算表等。传统的仪表检定和维护流程是拆卸现场仪表，送计量室校验，合格后仪表重新装回现场，流程长环节多，耗时、费力、效率低下；同时生产现场环境通常与计量室环境存在较大差距，导致计量室出具的仪表检定精度与现场安装仪表实际精度之间的偏差；因此，传统的仪表检定和维护方法已无法满足现代化生产的要求。现有设备在生产现场对测控仪表进行检定维护，则因过多的设备携带不便，操作繁琐，效率低下，冷端补偿处理时易出错，检定和维护的精度难以保证。目前发达国家普遍采用过程校验仪，在生产过程现场直接对测控仪表进行校准，工作效率和质量得以显著提高。过程校验仪的基本功能是测量和输出电压、电流、电阻、频率、温度等标准热电信号，是发达国家生产现场进行仪表检定和维护的必备校验设备。

美国FLUKE公司的Fluke 700系列，有近20个不同型号产品，涵盖了各种单项功能，多功能，以及过程认证校准设备，并具有多种精度等级可选。Fluke725过程校验仪为经济型产品，将电压、电流、电阻、温度(热电偶9种，热电阻4种)的测量与输出等多种功能集成一体化，精度0.02％FS(www.fluke.com)，是国内保有量最多、使用较为普遍的过程校验仪。国内过程校验仪的典型产品和生产厂家有：西安仪表厂的ID-02综合校验仪及IDT-22仪表校验仪，具有电压、电流、电阻的测量和输出功能，精度0.1-0.2％FS；上海电表厂的XF30系列多功能校准仪，0.02％FS的精度；YJ139A型直流电压电流校验仪为0.05％FS的精度。国内过程校验仪供应厂商还有深圳的胜利，浙江余姚的金仪，主要生产低端过程校验仪，精度等级以0.05％FS为主，且功能不够齐全。国产过程校验仪厂家大多遵循逆工程技术路线图，从解剖、分析国外过程校验仪切入，沿袭仿制国外低端产品之路，鲜见自主创新的技术，仅能提供国外产品的基本功能。由于国内电子元器件和仪器制造工艺落后于国外同行水平，国产过程校验仪在精度和长期稳定性等关键性能指标上与国外存在较大差距，价格优势不明显，市场占有率有限。

发明内容

本发明针对现有的过程校验仪存在的不足，提供了一种过程校验仪及其设计方法。

过程校验仪包括微处理器、LCD显示器、存储器、通信接口、键盘、测量/输出选择模块、参数类型选择模块、电压基准模块、恒流源模块、输入通道ADC模块、输出通道DAC模块、输出通道至输入通道反馈模块，微处理器分别与LCD显示器、存储器、通信接口、键盘、输入通道ADC模块、输出通道DAC模块相连接，输出通道DAC模块分别与参数类型选择模块、恒流源模块、输出通道至输入通道反馈模块相连接，输入通道ADC模块分别与参数类型选择模块、电压基准模块、恒流源模块、输出通道至输入通道反馈模块相连接，参数类型选择模块与输出/测量选择模块相连接。

输出通道DAC模块的接关系为：微处理器LPC2101的引脚24、28、22、23、13、14、18、21分别与DA转换芯片AD5362的引脚1、3、47、48、49、51、55、56相连接，DA转换芯片AD5362的引脚12和引脚33连接后分别与模拟开关CD4066的引脚14和第一电阻R1的一端相连接，并接电压Vc，DA转换芯片AD5362的引脚5、37分别与模拟开关CD4066的引脚2、4相连接，DA转换芯片AD5362的引脚54与模拟开关CD4066的引脚7连接后接地，第一电阻R1的另一端和第四电阻R4的一端连接后分别与第三电阻R3的一端和第二运放A2的反相输入端相连接，第三电阻R3的另一端和第一运放A1的输出端连接后分别与模拟开关CD4066的引脚1和第一运放A1的反相输入端相连接，第一运放A1的正相输入端与模拟开关CD4066的引脚3相连接，第二运放A1的正相输入端接地，第四电阻R4的另一端和第二运放A1的输出端连接后分别与第二电阻R2的一端和第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端接地，第二电阻R2的另一端与第二电容C2的一端相连接，第二电容C2的另一端接地。

过程校验仪的输入通道ADC模块的连接关系为：模拟开关CD4066的引脚1、4、9、10分别与AD转换芯片AD7799的引脚3、4、8、7相连接，模拟开关CD4066的引脚5和模拟开关CD4066的引脚13连接后与微处理器LPC2101的引脚45相连接，模拟开关CD4066的引脚6和模拟开关CD4066的引脚12连接后与微处理器LPC2101的引脚46相连接，模拟开关CD4066的引脚7与电压V-相连接，模拟开关CD4066的引脚14与电压V+相连接，AD转换芯片AD7799的引脚1、2、9、10分别与微处理器LPC2101的引脚37、36、29、30相连接，模拟开关CD4066的引脚8和第五电阻R5的一端连接后分别与第六电阻R6的一端和第三运放A3的反相输入端相连接，第五电阻R5的另一端分别与模拟开关CD4066的引脚11和第三运放A3的输出端相连接，第六电阻R6的另一端分别与二极管DW1正端和第三电容C3的一端相连接后接地，二极管DW1负端和第七电阻R7的一端连接后分别与第三运放A3的正相输入端和AD转换芯片AD7799的引脚16相连接，第七电阻R7的另一端分别与第三电容C3的另一端、AD转换芯片AD7799的引脚11、AD转换芯片AD7799的引脚12和电压Vc相连接，AD转换芯片AD7799的引脚13和AD转换芯片AD7799的引脚15连接后接地。

过程校验仪的设计方法是采用非对称精度的系统设计，按高精度指标设计过程校验仪输入通道，包括24位的ADC、高等级的电子元器件；过程校验仪输出通道则按降级精度指标设计，包括16位DAC、降级的电子元器件，过程校验仪测量通道输入过程认证校正设备提供的0.001％——0.002％FS标准信号，据此建立高可信度标定基准表，过程校验仪输出信号时，控制模拟开关将其接入测量通道，实时读入输出通道的输出值，并与标定基准表值比对，根据两者的偏差实时闭环校正输出值，直至偏差落入允许区间，实时闭环反馈校正过程对用户而言是透明的，过程校验仪输出通道产生的信号偏差，借助高精度输入通道和标定基准表进行实时闭环反馈校正，使过程校验仪输出通道的精度得以提升。

过程校验仪的设计方法是采用基准融合自校正设计，过程校验仪内置高精度电压基准，利用精密电阻的分压获得多个基准电压，由此构建传输特性多项式，基于传输特性多项式，依据指定的温差或时差阈值准则，对过程校验仪测量通道的运算放大器、模数转换器等测量电路进行校正，消除过程校验仪测量通道因时间漂移、温度漂移等导致的不确定性，通过传输特性多项式基准的传递，过程校验仪各量程精度均得到校正，使过程校验仪具有长期的高精度和高稳定性。

本发明通过传输特性多项式基准的传递，过程校验仪各量程精度均得到校正，使过程校验仪具有长期的高精度和高稳定性。过程校验仪输出通道产生的信号偏差，借助高精度输入通道和标定基准表进行实时闭环反馈校正，使过程校验仪输出通道的精度得以提升。

附图说明

图1是过程校验仪面板布置图；

图2是过程校验仪方框图；

图3是过程校验仪的功能原理图；

图4是过程校验仪输出通道电路图；

图5是过程校验仪输入通道电路图；

图6是基准融合自校正技术原理图；

图7是过程校验仪流程框图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术路线。

过程校验仪外观如图1所示，面板各键符号的功能说明见表1。

表1过程校验仪面板符号说明

内置超大容量锂电池的过程校验仪，是一种测量和输出热电信号的手持便携式仪器，过程校验仪的功能参阅表2。

表2过程校验仪功能一览表

如图2、3所示，过程校验仪过程校验仪包括微处理器、LCD显示器、存储器、通信接口、键盘、测量/输出选择模块、参数类型选择模块、电压基准模块、恒流源模块、输入通道ADC模块、输出通道DAC模块、输出通道至输入通道反馈模块，微处理器分别与LCD显示器、存储器、通信接口、键盘、输入通道ADC模块、输出通道DAC模块相连接，输出通道DAC模块分别与参数类型选择模块、恒流源模块、输出通道至输入通道反馈模块相连接，输入通道ADC模块分别与参数类型选择模块、电压基准模块、恒流源模块、输出通道至输入通道反馈模块相连接，参数类型选择模块与输出/测量选择模块相连接。

按高精度指标设计过程校验仪测量(输入)通道，包括24位的ADC、高等级的电子元器件等，确保过程校验仪测量通道的高精度和高稳定性；过程校验仪输出通道则按降级精度指标设计，包括16位DAC、降级的电子元器件等，有助于降低器件和校验仪成本，提高过程校验仪的成品率。因此，过程校验仪输入、输出通道具有不同的设计精度等级。过程校验仪测量通道输入过程认证校正设备提供的超高精度标准信号，据此建立标定基准表。过程校验仪输出通道产生的信号偏差，借助高精度输入通道和标定基准表进行实时闭环反馈校正，使过程校验仪输出通道的精度得以提升。现结合基于非对称精度系统设计技术的过程校验仪原理图，以输出1V电压为例，论述非对称精度的系统设计技术原理。过程认证校正设备输出1V超高精度的标准电压信号，过程校验仪输入1V标准信号，据此建立标定基准表，本例1V对应数字量65535。

输出1V电压的自校正过程如图2所示(微处理器实时控制，分步执行)：

1)CPU依据标定基准表，送出标准1V的数字量信号65535到DAC输入端；

2)DAC数模转换、信号经放大后，实际输出模拟量电压1.005V到输出端口；

3)模拟开关模块内相应触点闭合，输出1.005V接入测量通道ADC输入端；

4)CPU控制ADC模数转换，获得实际输出信号电压数字量为65863；

5)CPU完成偏差计算65535-65863＝-328，给出偏差校正量-328送DAC；

6)DAC输入端得到新的数字量65535-328＝65207；转换后输出模拟信号0.99997V；

7)CPU控制ADC再次测量，0.99997V模数转换得数字量为65533；

8)CPU完成偏差计算65535-65533＝2，给出偏差校正量2再送DAC；

9)DAC输入端得到新的数字量65207+2＝65209；转换后输出模拟信号1.00001V。

经两次反馈信号校正，输出电压已达到0.015％误差以内，由校正程序判断结束自动校正过程。按降级精度指标设计的过程校验仪输出1V电压未校正时的实际精度是0.05％，实时闭环反馈校正后输出通道精度提升至0.0126％。必须指出，本例输出1.00001V是理想输出值；在认证校正设备精度为0.002％，过程校验仪输入通道精度为0.01％条件下，不难得出闭环校正后输出通道的实际精度为0.0126％(0.01％+(1-0.01％)×0.002％+[(1-0.01％)-(1-0.01％)×0.002％]×0.5÷65535＝0.0126％)。上述校正有效的前提是ADC测量精度远大于DAC输出通道的精度，即非对称精度的系统设计技术基本原理；其次是ADC测量通道预先经过认证校正设备的标定(如采用惠普公司的HP3458A具有0.002％误差等级的标准表)。非对称精度的系统设计技术在确保过程校验仪高精度和高可靠性的基础上，由于输出通道按降级精度指标设计，提高了过程校验仪的成品率；同时大幅度降低了校验仪的成本(Vishay公司的精密电阻价格1ppm/℃的85元/片，3ppm/℃为35元/片，降级的5ppm/℃为10元/片)。

现结合图1面板图，描述输出1V电压的操作流程。操作者通过键盘按键(MEAS/SOURCE)和(V/Hz)键将信号切换为电压输出，机内微处理器控制模拟开关模块相应触点闭合，此时DAC的参考输入为Vref，众所周知DAC输出VDA与参考输入Vref的关系为VDA＝Vref□D/2ⁿ(n＝16，D为DAC输入码值，从0～2ⁿ)，所以此时在仪表‘T2’端与‘T1’端的输出电压V＝(PGA放大倍数□Vref□D)/65535，操作者通过键盘改变需要模拟输出的电压值，微处理器获取输入值后，调用本机存储的标定参数，计算得到对应的DAC输出码值D并控制DAC输出，输出端即可获得所需的电压值输出，实时闭环校正过程对用户而言是透明的。

如图4所示，输出通道DAC模块的接关系为：微处理器LPC2101的引脚24、28、22、23、13、14、18、21分别与DA转换芯片AD5362的引脚1、3、47、48、49、51、55、56相连接，DA转换芯片AD5362的引脚12和引脚33连接后分别与模拟开关CD4066的引脚14和第一电阻R1的一端相连接，并接电压Vc，DA转换芯片AD5362的引脚5、37分别与模拟开关CD4066的引脚2、4相连接，DA转换芯片AD5362的引脚54与模拟开关CD4066的引脚7连接后接地，第一电阻R1的另一端和第四电阻R4的一端连接后分别与第三电阻R3的一端和第二运放A2的反相输入端相连接，第三电阻R3的另一端和第一运放A1的输出端连接后分别与模拟开关CD4066的引脚1和第一运放A1的反相输入端相连接，第一运放A1的正相输入端与模拟开关CD4066的引脚3相连接，第二运放A1的正相输入端接地，第四电阻R4的另一端和第二运放A1的输出端连接后分别与第二电阻R2的一端和第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端接地，第二电阻R2的另一端与第二电容C2的一端相连接，第二电容C2的另一端接地。

如图5所示，输入通道ADC模块的连接关系为：模拟开关CD4066的引脚1、4、9、10分别与AD转换芯片AD7799的引脚3、4、8、7相连接，模拟开关CD4066的引脚5和模拟开关CD4066的引脚13连接后与微处理器LPC2101的引脚45相连接，模拟开关CD4066的引脚6和模拟开关CD4066的引脚12连接后与微处理器LPC2101的引脚46相连接，模拟开关CD4066的引脚7与电压V-相连接，模拟开关CD4066的引脚14与电压V+相连接，AD转换芯片AD7799的引脚1、2、9、10分别与微处理器LPC2101的引脚37、36、29、30相连接，模拟开关CD4066的引脚8和第五电阻R5的一端连接后分别与第六电阻R6的一端和第三运放A3的反相输入端相连接，第五电阻R5的另一端分别与模拟开关CD4066的引脚11和第三运放A3的输出端相连接，第六电阻R6的另一端分别与二极管DW1正端和第三电容C3的一端相连接后接地，二极管DW1负端和第七电阻R7的一端连接后分别与第三运放A3的正相输入端和AD转换芯片AD7799的引脚16相连接，第七电阻R7的另一端分别与第三电容C3的另一端、AD转换芯片AD7799的引脚11、AD转换芯片AD7799的引脚12和电压Vc相连接，AD转换芯片AD7799的引脚13和AD转换芯片AD7799的引脚15连接后接地。

如图6所示，过程校验仪内置高精度电压基准，利用精密电阻的分压获得多个基准电压，由此构建传输特性多项式。基于传输特性多项式，根据指定的温差或时差阀值准则，对过程校验仪测量通道的运算放大器、模数转换器等测量电路进行校正，消除过程校验仪测量通道因时间漂移、温度漂移等导致的不确定性。通过基准的传递，使校验仪各量程均得到校正，确保过程校验仪长期的高精度和高可靠性。现结合基准融合自校正技术原理图，论述基准融合的自校正技术原理。根据基准融合自校正时记录的温度和时间，当环境温度与自校正时记录的温度差大于温差阀值，或与自校正时的时间差大于时差阀值时，启动基准融合自校正。电压基准经分压得到的多个基准电压Vi，通过模拟开关的切换后送放大器A放大，经A/D模数转换得转换值Di传给CPU。设各基准电压Ui(i＝0，1，......，n)，对应的模数转换值为Di，待测量电压Vx，对应模数转换值Dx，作n次多项式拟合：

$V_0=a_0+a_1{D}_0+a_2{D_0}^2+...+a_n{D_0}^n$

$V_1=a_0+a_1{D}_1+a_2{D_1}^2+...+a_n{D_1}^n---\left(1\right)$

$V_n=a_0+a_1{D}_n+a_2{D_n}^2+...+a_n{D_n}^n$

通过拟合可得系数a_i构成的列向量：

$A={\left({D_R}^T{D}_R\right)}^{-1}{D_R}^T{U}_R---\left(2\right)$

其中U_R为Ui构成的列向量，D_R为Di的0次至高次幂组成的矩阵。因此，可以通过以下多项式求得待测电压Vx：

$V_X=a_0+a_1{D}_X+a_2{D_X}^2+...+a_n{D_X}^n---\left(3\right)$

如图7所示，过程校验仪上电初始化，读入环境温度和时间。当环境温度与自校正时记录的温度差大于温差阀值，或与自校正时的时间差大于时差阀值时，启动基准融合自校正，更新基准融合自校正的时间和温度记录，否则不予处理。判断是否有键按下，如无键操作，处理器进入休眠状态，否则进行键分析。根据按键，如属测量功能，则进入相应模块；如属输出功能，则进入相应模块后需进行闭环反馈校正。

Claims (4)

1.一种过程校验仪，其特征在于过程校验仪包括微处理器、LCD显示器、存储器、通信接口、键盘、测量/输出选择模块、参数类型选择模块、电压基准模块、恒流源模块、输入通道ADC模块、输出通道DAC模块、输出通道至输入通道反馈模块，微处理器分别与LCD显示器、存储器、通信接口、键盘、输入通道ADC模块、输出通道DAC模块相连接，输出通道DAC模块分别与参数类型选择模块、恒流源模块、输出通道至输入通道反馈模块相连接，输入通道ADC模块分别与参数类型选择模块、电压基准模块、恒流源模块、输出通道至输入通道反馈模块相连接，参数类型选择模块与测量/输出选择模块相连接；过程校验仪的输入通道按高精度指标设计，过程校验仪输出通道则按降级精度指标设计，输入过程认证校正设备提供的超高精度标准信号，据此建立标定基准表，从而过程校验仪输出通道产生的信号偏差，借助高精度输入通道和标定基准表进行实时闭环反馈校正，使过程校验仪输出通道的精度得以提升，过程校验仪实现校正的有效的前提是，ADC测量精度远大于DAC输出通道的精度，其次是ADC输入通道预先经过认证校正设备的标定。

2.根据权利要求1所述的一种过程校验仪，其特征在于所述的输出通道DAC模块的连接关系为：微处理器LPC2101的引脚24、28、22、23、13、14、18、21分别与DA转换芯片AD5362的引脚1、3、47、48、49、51、55、56相连接，DA转换芯片AD5362的引脚12和引脚33连接后分别与模拟开关CD4066的引脚14和第一电阻R1的一端相连接，并接电压Vc，DA转换芯片AD5362的引脚5、37分别与模拟开关CD4066的引脚2、4相连接，DA转换芯片AD5362的引脚54与模拟开关CD4066的引脚7连接后接地，第一电阻(R1)的另一端和第四电阻(R4)的一端连接后分别与第三电阻(R3)的一端和第二运放(A2)的反相输入端相连接，第三电阻(R3)的另一端和第一运放(A1)的输出端连接后分别与模拟开关CD4066的引脚1和第一运放(A1)的反相输入端相连接，第一运放(A1)的正相输入端与模拟开关CD4066的引脚3相连接，第二运放(A2)的正相输入端接地，第四电阻(R4)的另一端和第二运放(A2)的输出端连接后分别与第二电阻(R2)的一端和第一电容(C1)的一端相连接，第一电容(C1)的另一端接地，第二电阻(R2)的另一端与第二电容(C2)的一端相连接，第二电容(C2)的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的一种过程校验仪，其特征在于所述的输入通道ADC模块的连接关系为：模拟开关CD4066的引脚1、4、9、10分别与AD转换芯片AD7799的引脚3、4、8、7相连接，模拟开关CD4066的引脚5和模拟开关CD4066的引脚13连接后与微处理器LPC2101的引脚45相连接，模拟开关CD4066的引脚6和模拟开关CD4066的引脚12连接后与微处理器LPC2101的引脚46相连接，模拟开关CD4066的引脚7与电压V-相连接，模拟开关CD4066的引脚14与电压V+相连接，AD转换芯片AD7799的引脚1、2、9、10分别与微处理器LPC2101的引脚37、36、29、30相连接，模拟开关CD4066的引脚8和第五电阻R5的一端连接后分别与第六电阻(R6)的一端和第三运放(A3)的反相输入端相连接，第五电阻(R5)的另一端分别与模拟开关CD4066的引脚11和第三运放(A3)的输出端相连接，第六电阻(R6)的另一端分别与二极管DW1正端和第三电容(C3)的一端相连接后接地，二极管DW1负端和第七电阻(R7)的一端连接后分别与第三运放(A3)的正相输入端和AD转换芯片AD7799的引脚16相连接，第七电阻(R7)的另一端分别与第三电容(C3)的另一端、AD转换芯片AD7799的引脚11、AD转换芯片AD7799的引脚12和电压Vc相连接，AD转换芯片AD7799的引脚13和AD转换芯片AD7799的引脚15连接后接地。

4.一种过程校验仪的设计方法，其特征在于采用非对称精度的系统设计，按高精度指标设计过程校验仪输入通道，包括24位的ADC、高等级的电子元器件；过程校验仪输出通道则按降级精度指标设计，包括16位DAC、降级的电子元器件，过程校验仪输入通道输入过程认证校正设备提供的0.001％-0.002％FS标准信号，据此建立高可信度标定基准表，过程校验仪输出信号时，控制模拟开关将其接入输入通道，实时读入输出通道的输出值，并与标定基准表值比对，根据两者的偏差实时闭环校正输出值，直至偏差落入允许区间，实时闭环反馈校正过程对用户而言是透明的，过程校验仪输出通道产生的信号偏差，借助高精度输入通道和标定基准表进行实时闭环反馈校正，使过程校验仪输出通道的精度得以提升。

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