CN103901382A - 一种时间电流表的校准检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种时间电流表的校准检测装置，包括校准检测器，校准检测器包括显示模块、MCU、计时模块、DA模块、电压源模块、电流泵模块、输出保护模块、取样电阻模块、AD模块、通讯模块、存储模块和键盘模块，并分别与外壳体的控制面板上设置有LCD显示屏幕、时间溯源端口、电流溯源端口、电流输出端口、电流输入端口、通讯端口以及键盘的对应接口通过排线连接。本发明能对时间电流表进行校准检测，使用方便，检测精度高。
Description
技术领域
本发明属于计量校准检测装置，特别是涉及一种时间电流表（毫安秒表）的校准检测装置。
背景技术
时间电流表是将电流（单位：毫安，符号：mA）和时间（单位：秒，符号：s）的乘积（单位毫安秒，符号：mAs）作为测量值显示的。虽然现有的标准的电流源（无论是直流或交流）只能输出单一的直流电流或正弦波交流电流，而且输出带负载能力有限，一般不能适应时间电流表的较高的输入电阻（10Ω～100Ω），直流电流的准确度很高，但不能输出可控的时间电流乘积信号，况且无法给出准确的时间指标，也不能实现重复测量（测量没有复现性）。时间电流表的测量电流大到1000mA，毫安秒的测量准确度（1.0%～3.5%）。现时没有一种对时间电流表（毫安秒表）的专用检测设备来实现对时间电流表的校准和检测，当然也就无法实现对时间电流表（毫安秒表）的溯源。
发明内容
本发明的目的，是提供一种时间电流表的校准检测装置，能对时间电流表（毫安秒表）进行校准检测，使用方便，检测精度高。
该装置达到：能够输出标准的时间电流乘积（毫安秒）信号，输出值可以任意设置，可实现重复测量（复现性好）。满足时间电流表的负载要求，准确的达到0.2%，符合计量检测的误差传递要求（即准确度高于被测设备的三分之一）。装置具有输出保护功能，同时电流、时间可以单独输出，方便装置向上溯源，使时间电流表的校准检测更加合理，溯源链条更加完整。
采用的技术方案是：
一种时间电流表的校准检测装置，包括外壳体和校准检测器，其特征在于：
外壳体的控制面板上设置有LCD显示屏幕、时间溯源端口、电流溯源端口、电流输出端口、电流输入端口、通讯端口以及键盘，它们都由排线与校准检测器的接口对应相连。
其中，LCD显示屏幕主要由北京青云生产的12864液晶显示屏幕构成，其自带中文字库，可以显示4行文字；时间溯源端口主要由BNC(Female)接头构成，在溯源时能输出指定脉宽（10ms～1000ms，步进精度10ms）的正脉冲信号以及1pps的方波信号，校准时能根据其正脉冲的脉宽对本发明的时间参数进行溯源；电流溯源端口主要由BNC(Female)接头构成，在溯源时能输出指定幅度（1mA～1000mA，步进精度1mA）的直流信号，校准时可以根据其幅度对本发明的电流参数进行溯源；电流输出端口与电流输入端口主要由香蕉接头(Female)构成，用于连接被校准的毫安秒表；通讯端口用于设备调试及上位机通讯；键盘主要由四个薄膜按键构成，用于完成对本发明的基本操作。
校准检测器，包括显示模块、MCU（微控制单元）、计时模块、DA模块、电压源模块、电流泵模块、输出保护模块、取样电阻、AD模块、通讯模块、存储模块和键盘模块，它们都通过排线与外壳上的相应部分连接。
其中，显示模块主要由贴片封装总线扩展芯片74LS245构成，用于提高总线驱动能力和将LCD显示屏幕与MCU隔离，以对MCU的相应管脚进行保护。
MCU是校准检测器的核心，用于显示控制、键盘按键捕获、计时中断响应、DA输出电压控制、AD电压采样读取、通讯和关键数据的存取与读取。本发明的MCU采用了ST公司生产的具有64管脚的ARM7芯片STM32F103R，其倍频后的最高频率为72MHz。
在本发明中MCU用其PA口作为数据总线，控制LCD屏幕的显示；使用I2C总线完成对存储模块的存储和读取；使用其串口I完成对通讯模块的控制；使用SMB总线完成对DA模块、AD模块的读写操作；使用外部中断与PC端口完成对计时模块的控制。
计时模块主要由贴片封装的X1226构成，为了保证输出时间的准确，本发明为其配备了准确度高达10-5的恒温高稳晶振，其频率为32.768kHz。
DA模块主要由TI公司生产的贴片DA芯片TLV5618与参考电压芯片TL431构成，其中DA芯片具有12位的输出精度，转换时间优于10us。
电压源模块主要由集成的开关电源组成，用于对校准检测器所有芯片的供电以及电流源的供电。
电流泵模块的电流输出端与输出保护模块的电流输入接线端子连接。
电流泵模块主要由运算放大器芯片和MOS管构成。本发明所使用的运算放大器芯片有贴片封装的TL082和直插封装的IRF740构成。本电流泵模块由基本的Howland current pump变化而成，最大输出电流为1000mA，其带载能力为120Ω，完全满足毫安秒表的计量校准需求。
输出保护模块主要由二极管构成，用于防止由电流输出端口、电流输入端口的误操作对本发明造成的损坏。
输出保护模块经取样电阻模块与AD模块的电流输入端子连接。
取样电阻主要由高精度电阻构成，其主要用于将电流转化为电压，并经由AD模块采集到MCU，以再次构成反馈回路，保障电流泵的输出精度。
通讯模块主要由贴片封装的MAX3232芯片构成，通讯模块与MCU的对应信号输出、输入串口连接，用于将MCU输出的串口信号转换成符合串口通讯的电压信号，并将输入的串口信号转换为符合MCU电压要求的数字信号，进而完成通讯。
存储模块的信号输出、输入端分别与MCU的对应接口连接，存储模块主要由贴片封装的AT24LC64芯片构成，其主要用于关键校准数据的存取以及本发明关键参数的存取。
键盘模块的信号输出、输入端分别与MCU的对应接口连接。
键盘模块主要由直插封装的BC7281芯片、贴片封装的74LS164芯片以及1N4148构成，主要用于按键的扩展，其最多可以扩展出64个按键。
显示模块通过30线的排线与控制面板上的LCD的对应接口连接。键盘模块通过4线的排线与控制面板上的键盘连接。通讯模块通过3线的排线与控制面板上的通讯端口COMM连接。MCU通过2线的排线与控制面板上的溯源端口2连接。电流泵模块通过4线的排线与控制面板上的电流输入、输出端口及电流溯源端口连接。
本发明能够完成对时间电流表（毫安秒表）的检测；并可实现重复测量，测量准确度达到0.2%，{参考电压的AD转换采用12位的测量数据，即控制电流准确度可达到0.1%，时间指标10-5即准确度达到0.01%，毫安秒的准确度依据JJF1059《测量不确定度评定与表示》采用方差合成法即 
为0.1% ,扩展不确定度U=0.2% ，k =2}。满足溯源系统表的传递误差要求，即校准装置的准确度（0.2%）要高于被测仪表准确度（1.0%～3.5%）三分之一的要求。该检测装置完善了对时间电流表（毫安秒表）的量值溯源体系表；同时对时间电流表（毫安秒表）校准检测装置的设计考虑了进一步向上溯源的要求，配置标准时间和电流输出测量接口，实现本装置的电流和时间的溯源，可以进一步溯源到国家基准。作为计量检测机构使用本装置，对提高检测能力，对社会开展计量校准服务合法性和权威性提供了技术保障，并且还可以收取计量校准服务费用，具有一定的经济和社会效益。
本发明的工作原理说明如下：使用者通过键盘进行设定后，本发明的键盘模块获取使用者的设定信息，MCU根据设定信息控制显示模块进而在LCD显示屏幕上显示相关设定信息，然后MCU对相关的控制电压幅值、输出时间进行计算，通过DA模块输出相应的电压幅值，该电压作用在电流泵模块上，从而产生设定要求的电流；然后MCU设定计时模块的中断输出时间（该时间很短，仅us级，可以在输出时间中剔除以保证输出时间准确度）；在此期间，MCU通过AD模块采集取样电阻上的电压，进而对输出电流的幅值进行判断，然后MCU再通过DA模块对其输出电压幅值进行微调，进而对电流泵模块的输出电流进行微调，进而达到输出电流幅值准确的目的；在达到指定时间后，计时模块输出相应的中断脉冲，MCU捕获后立即控制DA模块停止电压输出，从而停止电流输出。
在进行溯源时，本发明可以通过时间溯源端口、电流溯源端口分别输出指定的正脉冲和电流，对它们进行计量校准，就可以达到对本装置的时间参数、电流参数进行溯源的目的。
附图说明
图1是外壳体控制面板示意图。
图2是校准检测器结构示意图。
图3是校准检测器与外壳体控制面板连接示意图。
具体实施方式
一种时间电流表的校准检测装置，包括外壳体和校准检测器，其特征在于：
外壳体的控制面板20上设置有LCD显示屏幕1、时间溯源端口2、电流溯源端口3、电流输出端口4、电流输入端口5、通讯端口COMM6以及键盘7，它们都由排线与校准检测器对应接口相连。
其中，LCD显示屏幕1主要由北京青云生产的12864液晶显示屏幕构成，其自带中文字库，可以显示4行文字；时间溯源端口2主要由BNC(Female)接头构成，在溯源时能输出指定脉宽（10ms～1000ms，步进精度10ms）的正脉冲信号以及1pps的方波信号，校准时可以根据其正脉冲的脉宽对本发明的时间参数进行溯源；电流溯源端口3主要由BNC(Female)接头构成，在溯源时能输出指定幅度（1mA～1000mA，步进精度1mA）的直流信号，校准时可以根据其幅度对本发明的电流参数进行溯源；电流输出端口4与电流输入端口5主要由香蕉接头(Female)构成，用于连接被校准的毫安秒表；通讯端口6用于设备调试及上位机通讯；键盘7主要由4个薄膜按键构成，用于完成对本发明的基本操作。
校准检测器，包括显示模块8、MCU（微控制单元）9、计时模块10、DA模块11、电压源模块12、电流泵模块13、输出保护模块14、取样电阻模块15、AD模块16、通讯模块17、存储模块18和键盘模块19，它们都通过排线与外壳上的相应部分连接。
其中，显示模块8主要由贴片封装总线扩展芯片74LS245构成，用于提高总线驱动能力和将LCD显示屏幕与MCU9隔离，以对MCU9的相应管脚进行保护。
MCU 9是校准检测器的核心，用于显示控制、键盘按键捕获、计时中断响应、DA输出电压控制、AD电压采样读取、通讯和关键数据的存取与读取。本发明的MCU采用了ST公司生产的具有64管脚的ARM7芯片STM32F103R，其倍频后的最高频率为72MHz。
在本发明中MCU 9用其PA口作为数据总线，控制LCD屏幕的显示；使用I2C总线完成对存储模块18的存储和读取；使用其串口I功能完成对通讯模块17的控制；使用SMB总线完成对DA模块11、AD模块16的读写操作；使用外部中断与PC端口完成对计时模块10的控制。
计时模块10主要由贴片封装的X1226构成，为了保证输出时间的准确，本发明为其配备了准确度高达10-5的恒温高稳晶振，其频率为32.768kHz。
DA模块11主要由TI公司生产的贴片DA芯片TLV5618与参考电压芯片TL431构成，其中DA芯片具有12位的输出精度，转换时间优于10μs。
电压源模块12主要由集成的开关电源组成，用于对校准检测器所有芯片的供电以及电流源的供电。
电流泵模块13的电流输出端与输出保护模块14的电流输入接线端子连接。
电流泵模块13主要由运算放大器芯片和MOS管构成。本发明所使用的运算放大器芯片有贴片封装的TL082和直插封装的IRF740构成。本电流泵模块由基本的Howland current pump变化而成，最大输出电流为1000mA，其带载能力为120Ω，完全满足毫安秒表的计量校准需求。
输出保护模块14主要由二极管构成，用于防止由电流输出端口4、电流输入端口5的误操作对本发明造成的损坏。
输出保护模块14经取样电阻模块15与AD模块的电流输入端子连接。
取样电阻模块15主要由高精度电阻构成，其主要用于将电流转化为电压，并经由AD模块16采集到MCU9，以再次构成反馈回路，保障电流泵的输出精度。
通讯模块17主要由贴片封装的MAX3232芯片构成，通讯模块17与MCU9的对应信号输出、输入串口连接，用于将MCU9输出的串口信号转换成符合串口通讯的电压信号，并将输入的串口信号转换为符合MCU9电压要求的数字信号，进而完成通讯。
存储模块18的信号输出、输入端分别与MCU9的对应接口连接，存储模块18主要由贴片封装的AT24LC64芯片构成，其主要用于关键校准数据的存取以及本发明关键参数的存取。
键盘模块19的信号输出、输入端分别与MCU9的对应接口连接。
键盘模块19主要由直插封装的BC7281芯片、贴片封装的74LS164芯片以及1N4148构成，主要用于按键的扩展，其最多可以扩展出64个按键。
显示模块8通过30线的排线与控制面板20上的LCD的对应接口连接。键盘模块19通过4线的排线与控制面板20上的键盘7连接。通讯模块17通过3线的排线与控制面板20上的通讯端口COMM6连接。MCU9通过2线的排线与控制面板20上的溯源端口2连接。电流泵模块通过4线的排线与控制面板20上的电流输入端口5、电流输出端口4及电流溯源端口3连接。
Claims (2)
1.一种时间电流表的校准检测装置，包括外壳体和校准检测器，其特征在于：
外壳体的控制面板（20）上设置有LCD显示屏幕（1）、时间溯源端口（2）、电流溯源端口（3）、电流输出端口（4）、电流输入端口（5）、通讯端口（6）以及键盘（7），它们都由排线与校准检测器对应接口相连；
校准检测器，包括显示模块（8）、MCU（9）、计时模块（10）、DA模块（11）、电压源模块（12）、电流泵模块（13）、输出保护模块（14）、取样电阻模块（15）、AD模块（16）、通讯模块（17）、存储模块（18）和键盘模块（19）；
MCU（9）用其PA口作为数据总线，控制LCD屏幕的显示；使用I2C总线完成对存储模块（18）的存储和读取；使用其串口I完成对通讯模块（17）的控制；使用SMB总线完成对DA模块（11）、AD模块（16）的读写操作；使用外部中断与PC端口完成对计时模块（10）的控制；
电压源模块（12）的电压输出端与电流泵模块（13）的电压信号输入端连接；
电流泵模块（13）的电流输出端与输出保护模块（14）的电流输入接线端子连接；
输出保护模块（14）经取样电阻模块（15）与AD模块的电流输入端子连接；
取样电阻模块（15）经由AD模块（16）采集信息与MCU（9）交换，以构成反馈回路的连接；
通讯模块（17）与MCU(9)的对应信号输出、输入串口连接；
存储模块（18）的信号输出、输入端分别与MCU（9）的对应接口连接，
键盘模块（19）的信号输出、输入端分别与MCU（9）的对应接口连接；
显示模块（8）通过30线的排线与控制面板（20）上的LCD的对应接口连接；键盘模块（19）通过4线的排线与控制面板（20）上的键盘（7）连接；通讯模块（17）通过3线的排线与控制面板（20）上的通讯端口COMM（6）连接；MCU（9）通过2线的排线与控制面板（20）上的溯源端口（2）连接；电流泵模块（13）通过4线的排线与控制面板（20）上的电流输入端口（5）、电流输出端口（4）及电流溯源端口（3）连接。
2.根据权利要求1所述的一种时间电流表的校准检测装置，其特征在于：LCD显示屏幕（1）为12864液晶显示屏幕；
显示模块（8）主要由贴片封装总线扩展芯片74LS245构成；
MCU（9）为64管脚的ARM7芯片STM32F103R，其倍频后的最高频率为72MHz；
计时模块（10）为贴片封装的X1226构成；
DA模块（11）主要由TI公司生产的贴片DA芯片TLV5618与参考电压芯片TL431构成；
通讯模块（17）主要由贴片封装的MAX3232芯片构成；
存储模块（18）主要由贴片封装的AT24LC64芯片构成；
键盘模块（19）主要由直插封装的BC7281芯片、贴片封装的74LS164芯片以及1N4148构成，最多可以扩展出64个按键。
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