CN109856577A - 一种用于小电流仪表现场自动化校准的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于小电流仪表现场自动化校准的装置及方法，其包括校准装置主机和上位机；所述校准装置主机与所述上位机通过数据通信接口连接，所述上位机内预置有校准程序；所述上位机根据预置的校准程序向所述校准装置主机发送控制指令，所述校准装置主机接收到控制指令后执行相应的动作，对被校测试控制台进行校准，实现小电流仪表的现场自动化校准。本发明克服了现有校准手段存在的标准设备体积大、携带不便，校准效率低，等缺陷，提高了针对多型毫安表、微安表等小电流仪表现场校准的自动化水平，实现了小电流仪表现场校准装置的小型化。

Description

一种用于小电流仪表现场自动化校准的装置及方法

技术领域

本发明涉及电学计量技术领域，具体是关于一种用于小电流仪表现场自动化校准的装置及方法。

背景技术

在各类船舶的测试控制台上安装有多种毫安表、微安表等小电流仪表，这些仪表的量值准确性关乎船舶上重要装备的性能，而大多数情况下，这些仪表不允许拆卸，只能通过预留的仪表输入接口进行现场计量，这就要求电流标准设备要小型化，能够满足现场计量的要求。

现有技术中，通常采用台式高精度电流源来实现电流仪表的计量，存在体积过大，携带不便，效率低，难以满足现场计量的要求，为了解决这个问题，需要建立一种适合小电流仪表现场自动化校准的装置及方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于小电流仪表现场自动化校准的装置及方法，其克服了现有校准手段存在的标准设备体积大、携带不便，校准效率低，等缺陷，提高了针对多型毫安表、微安表等小电流仪表现场校准的自动化水平，实现了小电流仪表现场校准装置的小型化。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于小电流仪表现场自动化校准的装置，其包括校准装置主机和上位机；所述校准装置主机与所述上位机通过数据通信接口连接，所述上位机内预置有校准程序；所述上位机根据预置的校准程序向所述校准装置主机发送控制指令，所述校准装置主机接收到控制指令后执行相应的动作，对被校测试控制台进行校准，实现小电流仪表的现场自动化校准。

进一步，所述校准装置主机包括压控电流源模块、通道切换模块和MCU控制模块；

所述MCU控制模块用于接收所述上位机传输至的控制指令；

所述压控电流源模块将接收到的所述MCU控制模块输出的模拟电压信号进行转换后输出模拟电流信号，输出的模拟电流信号幅度与模拟电压信号具有线性比例关系；

所述通道切换接收MCU模块控制模块输出的控制信号和压控电流源模块输出的电流源，并将所述压控电流源模块输出的电流源输出至相应的电流输出通道。

进一步，所述MCU控制模块包括MCU控制器、DAC单元、ADC单元和数据通信接口；所述MCU控制器通过所述数据通信接口与所述上位机进行信息交互，经所述数据通信接口接收来自所述上位机传输至的控制指令，所述MCU控制器根据控制指令设置的输出电流值进行计算，控制所述DAC单元输出相应的模拟电压信号，该模拟电压信号传输至所述压控电流源模块，控制所述压控电流源模块输出相应的模拟电流信号；所述MCU控制器控制所述ADC单元通过仪表放大器采集所述压控电流源模块中采样电阻两端的电压，计算出电流源的实际输出值，根据电流源实际输出值与设置值的误差对电流源的输出信号进行调节，直至满足精度指标要求，实现输出精度的自校准；电流源输出精度稳定后，所述MCU控制器向所述通道切换模块传输控制信号，控制所述通道切换模块将电流源输出至设定的输出通道。

进一步，所述数据通信接口采用RS232接口、RS485接口、RS422接口、以太网接口、USB接口、蓝牙接口、WIFI接口或Zigbee接口中的任意一种。

进一步，所述校准装置主机中的所述通道切换模块与所述被校测试控制台之间通过设置在所述被校测试控制台上的仪表校准接口连接。

一种基于上述装置的用于小电流仪表现场自动化校准的方法，其包括以下步骤：1)将校准主机的电流输出接口通过测试电缆与被校测试控制台上的被校电流表连接；2)选取校准点：校准点应从最小点开始校准，到达最大点校准后，再逐步向下，再到最小点完成升降两个校准过程；3)根据校准点由上位机内预置的校准程序发送控制指令至校准装置主机，校准装置主机自动输出设定校准点的电流至被校电流表；4)读取被校仪表上模拟指针表的示值x，在上位机校准程序中调节电流源的输出，使被校仪表的指针指示在设定校准点对应的刻度线上；5)上位机校准程序发送控制指令至校准装置主机，由校准装置主机中的ADC单元采集电流源输出，并将电流源的实际电流值通过数据通信接口上传至上位机校准程序；将某一刻度线上升时数表的测量值作为某点被测量的上升的实际值记为x₀₁，同一刻度线下降时数表的测量值作为该某点被测量的下降的实际值记为x₀₂，上升时实际值x₀₁和下降时实际值x₀₂的平均值作为该某点被测量的实测值x₀，将结果自动记录于数据库中；6)逐点重复步骤3)至步骤5)自动完成所有校准点的校准工作；7)上位机校准程序自动完成示值误差和升降变差的数据处理及显示。

进一步，仪表的示值误差计算：在标度尺测量范围内所有分度线上，不应超过准确度等级对应的最大允许误差：

式中，γ表示仪表的示值误差；x表示仪表的示值，μA、mA；x₀表示某点被测量的实测值，μA、mA；x_N表示引用值，μA、mA。

进一步，电流表升降变差计算：仪表的升降变差不应超过最大允许误差的绝对值：

式中，γ₁表示仪表的示值误差；x₀₁表示某点被测量的上升的实际值，μA、mA；x₀₂表示某点被测量的下降的实际值，μA、mA；x_N表示引用值，mμA、mA。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明克服现有校准手段存在的标准设备体积大、携带不便，校准效率低等缺陷，本发明具有良好的稳定性与较高的精度，电流调节范围不超过1A，调节精度优于0.5％，调节时间一般在2s左右；校准主机不超过150mm*150mm*50mm，具有良好的环境适应性，体积小，便于携带，满足上艇现场计量的要求。2、本发明通过上位机校准软件及校准装置主机实现了小电流仪表的现场自动化校准，精度高，性能稳定，界面友好，适合推广应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种用于小电流仪表现场自动化校准的装置，其包括校准装置主机和上位机。校准装置主机与上位机通过数据通信接口连接，上位机内预置有校准程序；上位机根据预置的校准程序向校准装置主机发送控制指令，校准装置主机接收到控制指令后执行相应的动作，对被校测试控制台进行校准，实现小电流仪表的现场自动化校准。

在一个优选的实施例中，校准装置主机包括压控电流源模块、通道切换模块和MCU控制模块。通过设计集成度高的程控电流产生装置，实现校准装置主机小体积，易于便携，满足上艇使用要求。其中：

MCU控制模块用于接收上位机传输至的控制指令；

压控电流源模块将接收到的MCU控制模块输出的模拟电压信号进行转换后输出模拟电流信号，输出的模拟电流信号幅度与模拟电压信号具有线性比例关系；

通道切换接收MCU模块控制模块输出的控制信号和压控电流源模块输出的电流源，并将压控电流源模块输出的电流源输出至相应的电流输出通道。

上述实施例中，MCU控制模块包括MCU控制器、DAC单元、ADC单元和数据通信接口。MCU控制器通过数据通信接口与上位机进行信息交互，经数据通信接口接收来自上位机传输至的控制指令，MCU控制器根据控制指令设置的输出电流值进行计算，控制DAC单元输出相应的模拟电压信号，该模拟电压信号传输至压控电流源模块，从而控制压控电流源模块输出相应的模拟电流信号；同时，MCU控制器控制ADC单元通过仪表放大器采集压控电流源模块中采样电阻两端的电压，从而计算出电流源的实际输出值，根据电流源实际输出值与设置值的误差对电流源的输出信号进行调节，直至满足精度指标要求，实现输出精度的自校准。电流源输出精度稳定后，MCU控制器向通道切换模块传输控制信号，控制通道切换模块将电流源输出至设定的输出通道。

上述实施例中，数据通信接口可以为以下任意一种接口:RS232接口、RS485接口、RS422接口、以太网接口、USB接口、蓝牙接口、WIFI接口或Zigbee接口。

在一个优选的实施例中，校准装置主机中的通道切换模块与被校测试控制台之间通过设置在被校测试控制台上的仪表校准接口连接。

基于上述装置，本发明还提供一种用于小电流仪表现场自动化校准的方法，小电流仪表现场自动化校准项目包括示值误差和升降变差两项，该方法包括以下步骤：

1)将校准主机的电流输出接口通过测试电缆与被校测试控制台上的被校电流表连接；

2)选取校准点：校准点应从最小点开始校准，到达最大点校准后，再逐步向下，再到最小点完成升降两个校准过程；

3)根据校准点由上位机内预置的校准程序发送控制指令至校准装置主机，校准装置主机自动输出设定校准点的电流至被校电流表；

4)读取被校仪表上模拟指针表的示值x，在上位机校准程序中调节电流源的输出，使被校仪表的指针指示在设定校准点对应的刻度线上；

5)上位机校准程序发送控制指令至校准装置主机，由校准装置主机中的ADC单元采集电流源输出，并将电流源的实际电流值通过数据通信接口上传至上位机校准程序；将某一刻度线上升时数表的测量值作为某点被测量的上升的实际值记为x₀₁，同一刻度线下降时数表的测量值作为该某点被测量的下降的实际值记为x₀₂，上升时实际值x₀₁和下降时实际值x₀₂的平均值作为该某点被测量的实测值x₀，将结果自动记录于数据库中；

6)逐点重复步骤3)至步骤5)自动完成所有校准点的校准工作；

7)上位机校准程序自动完成示值误差和升降变差的数据处理及显示。

上述步骤中，仪表的示值误差计算：在标度尺测量范围内(有效范围)所有分度线上，不应超过准确度等级对应的最大允许误差,按示值误差式(1)计算。

式中，γ表示仪表的示值误差；x表示仪表的示值，μA、mA；x₀表示某点被测量的实测值，μA、mA；x_N表示引用值，μA、mA。

上述步骤5)中，电流表升降变差计算：仪表的升降变差不应超过最大允许误差的绝对值，按式(2)计算。

式中，γ₁表示仪表的示值误差；x₀₁表示某点被测量的上升的实际值，μA、mA；x₀₂表示某点被测量的下降的实际值，μA、mA；x_N表示引用值，mμA、mA。

实施例：

如图1所示，本实施例的一种适用于小电流仪表的现场自动化校准装置，实现对被校测试发控台上的2mA量程毫安表和500uA量程微安表的现场自动校准。校准的装置，包括校准装置主机和上位机两部分。

校准装置主机包括压控电流源模块、通道切换模块和MCU控制模块，通过设计集成度高的程控电流产生装置，实现校准装置主机小体积，易于便携，满足上艇使用要求。

压控电流源模块采用两片OP200构成典型的双运放压控电流源电路，采样电阻使得电流源的输出电流I_o＝U_i/R_s,其中U_i为MCU控制模块输出的控制电压信号，R_s为采样电阻，采样电阻选用0.1％精度的金属膜电阻器，阻值2kΩ；当U_i在-4V～4V变化时，电流源可以输出-2mA～2mA；相应的当U_i在-1V～1V变化时，电流源可以输出-500uA～500uA；同一个采样电阻可以满足两种电流表的校准。

通道切换模块采用两路光耦MOSFET开关器件将电流源输出至毫安表获微安表的仪表校准接口通道；

MCU控制模块包括MCU控制器、DAC单元、ADC单元和数据通信接口。MCU控制模块通过数据通信接口接收来自上位机控制指令，MCU控制器根据控制指令设置的输出电流值进行计算，控制DAC单元输出相应的模拟电压信号，该信号进入压控电流源模块，从而控制压控电流源模块输出相应的模拟电流信号；同时，MCU控制器控制ADC单元通过仪表放大器采集压控电流源模块中采样电阻两端的电压从而计算出电流源的实际输出值，根据电流源实际输出值与设置值的误差对电流源的输出信号进行调节，重复这个过程直至满足精度指标要求，实现输出精度的自校准；电流源输出精度稳定后，MCU控制器控制通道切换模块将电流源输出至设定的输出通道。MCU控制器选用ATMEGA128L，DAC单元选用AD5422；ADC单元包括ADC芯片和前端信号调理芯片，ADC芯片选用AD974，信号调理芯片选用AD620仪表放大器芯片，将AD620的两个输入端与采样电阻的两端相连，并在输入端口搭建低通滤波器。

数据通信接口采用RS232接口。

上位机采用适合上艇使用的加固式便携计算机，内嵌上位机校准程序，通过RS232接口与校准装置主机连接，根据校准程序发送控制指令,MCU控制模块接收到控制指令后执行相应的动作，实现小电流仪表的现场自动化校准。

自动化校准项目包括示值误差和升降变差两项，具体包括以下步骤：

1)将校准主机的电流输出接口通过测试电缆与被校测试台仪表校准接口连接；

2)对于2mA量程的毫安表选取的校准点为-2mA,-1mA,0mA,1mA,2mA；对于500uA量程的微安表选取的校准点为-500uA,-300uA,-100uA,0uA,100uA,300uA,500uA；校准点应从最小点开始校准，到最大点校准后，再逐步向下，再到最小点完成升降两个过程；

3)先由上位机校准程序发送指令至校准装置主机将电流源输出通道切换至微安表通道，先校准微安表；

4)根据微安表校准点由上位机校准程序发送指令至校准装置主机，校准装置主机自动输出设定校准点的电流至被校微安表；

5)读取被校微安表的示值x，在上位机校准软件中调节电流源的输出，使被检微安表的指针指示在设定校准点对应的刻度线上；

6)上位机校准程序发送指令至校准装置主机，由校准装置主机中的ADC单元采集电流源输出，并将电流源的实际电流值通过数据通信接口上传上位机校准程序；将某一刻度线上升时数表的测量值作为某点被测量的上升的实际值记为x₀₁，同一刻度线下降时数表的测量值作为某点被测量的下降的实际值记为x₀₂，上升时实际值x₀₁和下降时实际值x₀₂的平均值作为某点被测量的实测值x₀，将结果自动记录于软件数据库中；

7)逐点重复步骤3)至步骤6)自动完成微安表所有校准点的校准工作；

8)上位机校准程序自动完成微安表示值误差和升降变差的数据处理及显示；

9)由上位机校准程序发送指令至校准装置主机将电流源输出通道切换至毫安表通道，按毫安表校准点，重复步骤4)至步骤8)校准毫安表。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种用于小电流仪表现场自动化校准的装置，其特征在于：包括校准装置主机和上位机；所述校准装置主机与所述上位机通过数据通信接口连接，所述上位机内预置有校准程序；所述上位机根据预置的校准程序向所述校准装置主机发送控制指令，所述校准装置主机接收到控制指令后执行相应的动作，对被校测试控制台进行校准，实现小电流仪表的现场自动化校准。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述校准装置主机包括压控电流源模块、通道切换模块和MCU控制模块；

所述MCU控制模块用于接收所述上位机传输至的控制指令；

所述压控电流源模块将接收到的所述MCU控制模块输出的模拟电压信号进行转换后输出模拟电流信号，输出的模拟电流信号幅度与模拟电压信号具有线性比例关系；

所述通道切换接收MCU模块控制模块输出的控制信号和压控电流源模块输出的电流源，并将所述压控电流源模块输出的电流源输出至相应的电流输出通道。

3.如权利要求2所述装置，其特征在于：所述MCU控制模块包括MCU控制器、DAC单元、ADC单元和数据通信接口；所述MCU控制器通过所述数据通信接口与所述上位机进行信息交互，经所述数据通信接口接收来自所述上位机传输至的控制指令，所述MCU控制器根据控制指令设置的输出电流值进行计算，控制所述DAC单元输出相应的模拟电压信号，该模拟电压信号传输至所述压控电流源模块，控制所述压控电流源模块输出相应的模拟电流信号；所述MCU控制器控制所述ADC单元通过仪表放大器采集所述压控电流源模块中采样电阻两端的电压，计算出电流源的实际输出值，根据电流源实际输出值与设置值的误差对电流源的输出信号进行调节，直至满足精度指标要求，实现输出精度的自校准；电流源输出精度稳定后，所述MCU控制器向所述通道切换模块传输控制信号，控制所述通道切换模块将电流源输出至设定的输出通道。

4.如权利要求3所述装置，其特征在于：所述数据通信接口采用RS232接口、RS485接口、RS422接口、以太网接口、USB接口、蓝牙接口、WIFI接口或Zigbee接口中的任意一种。

5.如权利要求2至4任一项所述装置，其特征在于：所述校准装置主机中的所述通道切换模块与所述被校测试控制台之间通过设置在所述被校测试控制台上的仪表校准接口连接。

6.一种基于如权利要求1至5任一项所述装置的用于小电流仪表现场自动化校准的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将校准主机的电流输出接口通过测试电缆与被校测试控制台上的被校电流表连接；

2)选取校准点：校准点应从最小点开始校准，到达最大点校准后，再逐步向下，再到最小点完成升降两个校准过程；

3)根据校准点由上位机内预置的校准程序发送控制指令至校准装置主机，校准装置主机自动输出设定校准点的电流至被校电流表；

4)读取被校仪表上模拟指针表的示值x，在上位机校准程序中调节电流源的输出，使被校仪表的指针指示在设定校准点对应的刻度线上；

5)上位机校准程序发送控制指令至校准装置主机，由校准装置主机中的ADC单元采集电流源输出，并将电流源的实际电流值通过数据通信接口上传至上位机校准程序；将某一刻度线上升时数表的测量值作为某点被测量的上升的实际值记为x₀₁，同一刻度线下降时数表的测量值作为该某点被测量的下降的实际值记为x₀₂，上升时实际值x₀₁和下降时实际值x₀₂的平均值作为该某点被测量的实测值x₀，将结果自动记录于数据库中；

6)逐点重复步骤3)至步骤5)自动完成所有校准点的校准工作；

7)上位机校准程序自动完成示值误差和升降变差的数据处理及显示。

7.如权利要求6所述方法，其特征在于：仪表的示值误差计算：在标度尺测量范围内所有分度线上，不应超过准确度等级对应的最大允许误差：

式中，γ表示仪表的示值误差；x表示仪表的示值，μA、mA；x₀表示某点被测量的实测值，μA、mA；x_N表示引用值，μA、mA。

8.如权利要求6所述方法，其特征在于：电流表升降变差计算：仪表的升降变差不应超过最大允许误差的绝对值：

式中，γ₁表示仪表的示值误差；x₀₁表示某点被测量的上升的实际值，μA、mA；x₀₂表示某点被测量的下降的实际值，μA、mA；x_N表示引用值，mμA、mA。