CN113156356A

CN113156356A - 一种电压源远程校准系统及校准方法

Info

Publication number: CN113156356A
Application number: CN202110535361.6A
Authority: CN
Inventors: 方立德; 马鑫月; 段思涵; 李宜明; 韦子辉
Original assignee: Heibei University
Current assignee: Heibei University; Hebei University
Priority date: 2021-05-17
Filing date: 2021-05-17
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2041-05-17
Also published as: CN113156356B

Abstract

本发明提供了一种电压源远程校准系统及校准方法。电压源远程校准系统包括现场控制计算机和远端控制计算机；现场控制计算机与待检表和第一时间间隔计数器相接；待检表为直流电压源；待检表通过第一电压频率转换模块与第一时间间隔计数器相接，第一时间间隔计数器同时还连接第一GPS共视接收机；远端控制计算机与标准器和第二时间间隔计数器相接；标准器通过第二电压频率转换模块与第二时间间隔计数器相接，第二时间间隔计数器同时还连接第二GPS共视接收机；现场控制计算机与远端控制计算机之间通过DataSocket通信技术进行数据传输。相较于传统的校准方式，本发明的远程校准系统大幅度的缩短了校准时间，降低了人工成本，提高了校准效率。

Description

一种电压源远程校准系统及校准方法

技术领域

本发明涉及电学计量校准领域，具体地说是一种电压源远程校准系统及校准方法。

背景技术

计量是实现单位统一，保证量值准确可靠的活动，关系国计民生。计量仪器的量值传递与溯源是通过计量检定及校准实现的，从技术角度讲，检定和校准都是比较法。要在规定的测量环境下将计量标准和被检器具进行比较。大都需要离线方式进行，检定或校准时把工作用计量器具拆下来，送到相应技术机构，在规定的实验环境下进行静态或稳态测试过程，其缺点是耗时较长，而且离线方式把计量器具拆下来还会耽误工作造成损失。此外，这种方式只能得到计量仪器的基本误差，而仪器在现场应用中的附加误差则不可获知。在计量测试过程中任何测量都存在误差，而测量误差可以分为两部分，一部分是基本误差，另一部分是附加误差。仪器仪表的基本误差指仪器仪表在规定的参比工作条件下(检定或校准实验室)的最大误差，一般基本误差即该仪器仪表的允许误差。附加误差指仪器仪表在非规定的参比工作条件下(非检定或校准实验室)使用时产生的另外的误差，例如仪器仪表在工业现场环境下产生的测量误差等。人们可以在规定的测量条件下通过严格的计量检定或校准得到仪器仪表的基本误差。但是，由于现场工作条件的多样性和多变性附加误差目前还无法得到。

物联网技术的发展使附加误差的测量成为可能，若能利用物联网技术建立起计量仪器的远程量值传递与溯源系统，则可得仪表的附加误差，从根本上保证计量数据的准确可靠，从根本上提升产品质量。

直流电压是电磁计量学中最基础的参数，为电磁计量及其它计量领域提供溯源依据。直流标准电压源由于准确度高而且测量范围宽，通常作为保存和复现直流电压量值的标准设备广泛应用于各种计量机构。传统的手动校准效率低，注意事项多而且操作过程繁琐，校准人员的技术水平和工作经验对测量结果影响极大。因此有必要引入远程自动校准程序，保障量传质量，提高量传效率。

发明内容

本发明的目的就是提供一种电压源远程校准系统及校准方法，旨在实现真正意义上的直流电压源远程校准，改变其溯源流程，提高其校准效率。

本发明是这样实现的：一种电压源远程校准系统，包括现场控制计算机和远端控制计算机；所述现场控制计算机通过标准接口分别与待检表和第一时间间隔计数器相接，所述现场控制计算机用于发出程控指令给待检表，使待检表输出电压信号，同时，所述现场控制计算机还用于接收第一时间间隔计数器所发送的信号；所述待检表为直流电压源；所述待检表通过第一电压频率转换模块与所述第一时间间隔计数器相接，所述第一时间间隔计数器同时还连接第一GPS共视接收机；所述第一电压频率转换模块用于将待检表输出的电压信号转换为第一脉冲串并发送至第一时间间隔计数器，第一时间间隔计数器对第一脉冲串进行计数得出第一频率信号并发送至现场控制计算机；第一GPS共视接收机测量现场频率源以及GPS卫星发射的GPS信号，并通过第一时间间隔计数器发送至现场控制计算机；所述远端控制计算机通过标准接口分别与标准器和第二时间间隔计数器相接，所述远端控制计算机用于发出程控指令给标准器，使标准器输出电压信号，同时，所述远端控制计算机还用于接收第二时间间隔计数器所发送的信号；所述标准器通过第二电压频率转换模块与所述第二时间间隔计数器相接，所述第二时间间隔计数器同时还连接第二GPS共视接收机；所述第二电压频率转换模块用于将标准器输出的电压信号转换为第二脉冲串并发送至第二时间间隔计数器，第二时间间隔计数器对第二脉冲串进行计数得出第二频率信号并发送至远端控制计算机；第二GPS共视接收机测量远端频率源以及GPS卫星发射的GPS信号，并通过第二时间间隔计数器发送至远端控制计算机；所述现场控制计算机与所述远端控制计算机之间通过DataSocket通信技术进行数据传输，远端控制计算机基于GPS共视法对数据进行处理实现待检表的误差及不确定度的自动校准。

优选的，所述第一电压频率转换模块和所述第二电压频率转换模块均包括LM331芯片以及外围电路。外围电路主要包括电压频率转换切换开关P1和P3、两个SMA接口P2和P4、电源P5、低通滤波电路C4和R7、上拉电阻R5和R9、用来调节电压频率转换比例的电阻R6和滑动变阻器R8、五个滤波电容C2、C3、C5、C6和C7、LED指示灯D1等。

优选的，标准器为5522A多产品校准器。

优选的，所述第一时间间隔计数器和所述第二时间间隔计数器均为SYN5636型高精度通用计数器。

优选的，所述第一GPS共视接收机和所述第二GPS共视接收机均为SYN4102型GPS同步时钟。

在所述现场控制计算机和所述远端控制计算机内均设有配置信息管理模块、校准控制模块、测量状态显示模块和数据处理及报告生成模块。配置信息管理模块用于完成系统的资源调用、任务分配及人机交互，并实现证书报告中所有信息配置、环境参数配置、标准器及待检表信息以及报告存放路径选择等功能。校准控制模块包括校准流程控制和校准数据存储两部分，核心是校准流程控制；根据已经设定好的电压源远程校准系统程序流程图进行整个校准过程，并将数据存储到指定位置。测量状态显示模块主要完成测量过程中各项进度和数据的实时显示，包括测量进度显示、测量数据显示和单点复测显示。数据处理及报告生成模块主要完成校准的数据处理、误差及不确定度评定和报告生成功能。

本发明所提供的电压源远程校准方法，包括如下步骤：

a、初始化标准器和待检表；所述待检表为直流电压源；

b、设置检定参数；

c、开始校准：通过现场控制计算机和远端控制计算机分别向待检表和标准器发出程控指令，使待检表和标准器分别输出电压信号；

d、第一电压频率转换模块将待检表输出的电压信号转换为第一脉冲串；第二电压频率转换模块将标准器输出的电压信号转换为第二脉冲串；

e、第一时间间隔计数器对第一脉冲串进行计数得出第一频率信号并发送至现场控制计算机；第二时间间隔计数器对第二脉冲串进行计数得出第二频率信号并发送至远端控制计算机；

f、第一GPS共视接收机测量现场频率源以及GPS信号，并通过第一时间间隔计数器发送至现场控制计算机；第二GPS共视接收机测量远端频率源以及GPS信号，并通过第二时间间隔计数器发送至远端控制计算机；

g、现场控制计算机与远端控制计算机之间通过DataSocket通信技术进行数据传输，远端控制计算机基于GPS共视法对数据进行处理实现待检表的校准。

基于远程校准研究的国内外现状及电压源校准的国内外现状，针对目前电压源校准方面的不足，本发明研发出了一种电压源远程校准系统及校准方法。本发明基于电压频率转换模块、GPS共视法以及DataSocket网络通信技术与视频监控技术开发出一套适用于现代计量要求的电压源远程校准系统，实现电压源的远程自动校准。

本发明对校准系统进行了误差及不确定度分析，经与现有的国家计量技术规范JJF 1638-2017《多功能标准源校准规范》相比较，达到了量传指标要求。相较于传统的校准方式，本发明的远程校准系统大幅度的缩短了校准时间，降低了人工成本，提高了校准效率等。

附图说明

图1是本发明系统中的硬件结构示意图。

图2是本发明中电压频率转换模块的具体电路图。

图3是本发明系统中的软件结构示意图。

图4是本发明校准方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明所提供的电压源远程校准系统及校准方法是基于物联网的远程量值传递与溯源技术来实现的。本发明通过设计高精度的电压频率转换模块，利用该模块将标准电压源和待检电压源输出的电压量分别转换为对应的频率信号，进而基于GPS共视法及相关算法，完成电压源远程校准系统的设计，实现真正意义上的电压源远程校准，提高校准效率。

本发明的系统由硬件部分和软件部分两部分组成。本发明将各硬件通过标准接口连接到计算机，系统采用LabVIEW软件和相关仪器驱动编制自动校准程序及软件调用框架。

如图1所示，本发明系统中的硬件主要由待检表(对应图1中直流电压源)、标准器(即标准电压源)、两个电压频率转换模块(VFC转换模块)、两个时间间隔计数器及两个GPS共视接收机构成。现场控制计算机通过标准接口分别与直流电压源和第一时间间隔计数器连接，远端控制计算机通过标准接口分别与标准器和第二时间间隔计数器连接。第一电压频率转换模块分别与直流电压源和第一时间间隔计数器连接，第一时间间隔计数器又连接第一GPS共视接收机。第二电压频率转换模块分别与标准器和第二时间间隔计数器连接，第二时间间隔计数器又连接第二GPS共视接收机。电压源、VFC转换模块、GPS共视接收机和时间间隔计数器相互之间通过接线设备连接。

本发明中标准器选用美国FLUKE公司出产的5522A超级多产品校准器。美国FLUKE公司的5522A超级多产品校准器是高精度的校准源，它能够提供精确的交直流电压、交直流电流、频率等。它能够在很宽的环境温度范围内保持稳定的性能指标。标准器配备有标准接口，具有完整的程控能力，能接受控制计算机的命令和参数，根据命令和参数提供所指定的电学参数量输出数据。

两个电压频率转换模块选用LM331模块。LM331是性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F(电压/频率)或F/V(频率/电压)等变换电路，并且容易保证转换精度。

电压频率转换模块的原理是：单片集成V/F变换器广泛用于自动控制、数字仪表和无线电设备中，用于完成电压和频率间的转换。将电压量转换成频率信号后其抗干扰能力增强，应用极为方便。实际信号转换过程中，主要转换方式包括多谐振荡式与电荷平衡式两种。由于电荷平衡式VFC设备较之其他设备具有较高准确度，本发明选择电荷平衡式电压频率转换模块。其基本原理是：以电容作为电荷的载体，输入电压V_IN生成与其成正比的电流I_IN对电容进行充电，同时用一已知的恒流源I_REF(其中I_REF>I_INmax)对电容进行周期性的反向充电，且每次充电时间固定为Tc，从而实现每个周期或若干个周期内电容上的输入输出电荷平衡。同时这个周期也即为输出信号的周期，输出信号的频率或平均频率与输入的电压V_IN成正比。电压频率变换器实际上只是做到了将电压转换成脉冲串，最终的频率值还需要通过计数器来对脉冲计数并计算得到。

如图2所示，电压频率转换模块以LM331芯片为核心，在LM331芯片外设置外围电路。在LM331芯片中，引脚1为电流输出，引脚2为参考电流，引脚3为频率输出，引脚4为接地端，引脚5为R-C滤波器输入，引脚6为阈值输入，引脚7为比较器输入，引脚8为电源电压。主要外围电路有：P1和P3为电压频率转换切换开关，用作电压转频率时，P1切换到7脚做输入，P3切换到3脚做输出；用作频率转电压时，P3切换到6脚做输入，P1切换到1脚做输出。P2和P4为两个SMA接口；P5为电源；R5、R9为上拉电阻；R6和滑动变阻器R8用来调节电压频率转换比例；C2、C3、C5为滤波电容；C6和C7为滤波电容；C4和R7为低通滤波电路；D1为LED指示灯。

两个时间间隔计数器选用西安同步电子科技有限公司的SYN5636型高精度通用计数器。这是一款时间间隔和频率测试仪器。其频率测量分辨率可达12位/s和15位/1000s，被测频率范围高达24GHz，时间间隔分辨率高达20ps，并具有功率计功能，时基标配高精度OCXO恒温晶振。计数器具有频率、周期、频率比、输入功率最值、时间间隔、脉宽、上升/下降时间等测量功能，并兼有强大的数学运算、统计功能，包括平均值、标准偏差、最值、峰峰值、累加计数、阿仑方差和频率偏差等。该计数器性能可靠，测量精度高且范围宽，灵敏度高，动态范围大，性价比高。

两个GPS共视接收机选用西安同步电子科技有限公司的SYN4102型GPS同步时钟。这是一款高精度锁相时钟频率源，接收GPS信号，使恒温晶振输出频率同步于GPS卫星铯原子钟信号上，提高了频率信号的长期稳定性和准确度，能够提供铯钟量级的高精度时间频率标准，是一款高性价比时频产品。

GPS共视法原理：GPS共视法时间频率传递是目前时间频率远距离量值传递的主要方法之一。共视技术的基本原理是在一颗GPS卫星的视角内、地球上任意两地的原子钟可以利用在同一时间收到的同一颗卫星的时间信号进行时间频率比对。A、B两地的接收机在同一共视时间表作用下，在同一时刻接收同一颗GPS卫星信号。其内置的时间间隔计数器测量GPS秒脉冲与本地原子钟秒脉冲时差Δt_AGPS、Δt_BGPS。B地的数据通过通信网传到A地，然后相减可得两台原子钟之间的时间差。设地点A和B的钟时间分别为t_A和t_B，GPS时间为t_GPS，Δt_AGPS＝t_A-t_GPS；Δt_BGPS＝t_B-t_GPS；Δt_AGPS-Δt_BGPS＝t_A-t_B＝Δt_AB；经过多次测量后可得到一系列的Δt_ABi，由此可以算出两台原子钟在一段时间内平均相对频率差

式中f_A、f_B分别为两台时钟的频率；τ为平均时间间隔。

图3是本发明中系统的软件模块结构图。软件部分采用模块化软件设计思想将安装于远程上位机的校准软件按照功能划分为若干个功能模块，系统采用LabVIEW软件和相关仪器驱动编制自动校准程序及软件调用框架。针对电压源远程校准进行程序开发，系统软件的核心是校准流程控制及校准数据处理，由系统软件控制各检定参数的设置、标准器发出标准信号、待检表发出待检信号，之后由软件采集计数器信号，代替过去手动操作和用眼观测、手写记录的过程。同时，在校准过程中对被校准直流电压源的量程、校准点、校准值、不确定度、各点的允许误差及实际误差进行实时监控，对不合格点可进行单点复测。测试完成后，将校准数据存储在数据库中，在这基础上软件运用合理算法进行数据分析处理，得出电压源误差及不确定度，完成自动校准。

具体地，本发明系统中软件部分由四大模块组成，包括配置信息管理模块、校准控制模块、测量状态显示模块和数据处理及报告生成模块。各模块的主要功能如下：(1)配置信息管理模块：此模块主要完成系统的资源调用、任务分配及人机交互，并实现证书报告中所有信息配置、环境参数配置、标准及被校仪器信息以及报告存放路径选择等功能。(2)校准控制模块：此模块包括校准流程控制和校准数据存储两部分，核心是校准流程控制。根据已经设定好的电压源远程校准系统程序流程图进行整个校准过程，并将数据存储到指定位置。(3)测量状态显示模块：此模块主要完成测量过程中各项进度和数据的实时显示，包括测量进度显示、测量数据显示和单点复测显示。(4)数据处理及报告生成模块：此模块主要完成校准的数据处理、误差及不确定度评定和报告生成功能。

此外，本发明充分利用LabVIEW在仪器控制领域的优越性。在LabVIEW中利用VISA节点分别实现初始化串口、串口写、串口读、中断以及关闭串口等操作，VISA节点进行串口编程方便实现应用程序与接口总线仪器的通信。同时，LabVIEW具有很强的网络通信功能，在其常见通信方法中，基于TCP/IP协议的DataSocket网络通信技术因具有很多优点，近年来在远程领域有了很多应用。DataSocket克服了传统TCP/IP传输协议需要较为复杂的底层编程、传输速率较慢(特别是对动态数据)等缺点，简化了实时数据的传输问题，提供了一种易用、高效、可编程的软件接口，能够方便地实现网络上的多台计算机之间的实时数据交换。Datasocket采用发布/订阅方式实现程序间的数据通讯。该技术在测量数据的实时传输方面有比较大的便利而且传输速度也较快，特别适合远程数据的采集和监控。因此，本发明系统采用的是DataSocket通信技术。LabVIEW中的前面板控件vi都有DataSocketConnection属性，利用这个属性可以实现不同计算机上相同类型的控件间的DataSocket通信。通过指定特定的URL和连接方式就可以实现服务器端与客户端之间进行实时的数据发布(Publish)和读取(Subscribe)。

总结来说，上位机通过LabVIEW编写系统软件，由系统软件控制各检定参数的设置、标准器发出标准信号、待检表发出待检信号，再由计数器采集信号，校准软件计算出误差及不确定度。利用LabVIEW的DataSocket技术可以实现校准数据实时远程传输，校准完毕远程实验室根据误差范围及不确定度数值判断是否符合检定要求。

如图4所示，图4是本发明中电压源远程校准方法的流程图。整个校准过程如下：(1)初始化标准器和待检表：系统软件(具体是配置信息管理模块)向标准器和待检表发出程控命令，对系统中标准器和待检表进行初始化设置，使仪器处于初始化状态。(2)检定参数设定：根据校准软件前面板选择设置好相关参数如电压检定点的设置等。在校准仪器连接正确的情况下，执行步骤(3)。(3)标准信号及待测信号输出和测量数据读取：开始校准按钮，通过系统软件(具体是校准控制模块)向标准器及待检表输出程控指令，根据程序设置好的检测点，标准器和待检表将依次输出电压信号，计数器依次读取。(4)数据存储及处理：通过系统软件(具体是校准控制模块)将当前检定项目数据实时保存到数据库，并根据软件(具体是数据处理及报告生成模块)实时计算出设定点的误差及不确定度数值，并生成相应报告或校准证书。通过测量状态显示模块可对测量进度、测量数据以及单点复测等进行及时显示。

Claims

1.一种电压源远程校准系统，其特征是，包括现场控制计算机和远端控制计算机；所述现场控制计算机与待检表和第一时间间隔计数器相接；所述待检表为直流电压源；所述待检表通过第一电压频率转换模块与所述第一时间间隔计数器相接，所述第一时间间隔计数器同时还连接第一GPS共视接收机；所述远端控制计算机与标准器和第二时间间隔计数器相接；所述标准器通过第二电压频率转换模块与所述第二时间间隔计数器相接，所述第二时间间隔计数器同时还连接第二GPS共视接收机；所述现场控制计算机与所述远端控制计算机之间通过DataSocket通信技术进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的电压源远程校准系统，其特征是，所述第一电压频率转换模块和所述第二电压频率转换模块均包括LM331芯片以及外围电路。

3.根据权利要求1所述的电压源远程校准系统，其特征是，所述标准器为5522A多产品校准器。

4.根据权利要求1所述的电压源远程校准系统，其特征是，所述第一时间间隔计数器和所述第二时间间隔计数器均为SYN5636型高精度通用计数器。

5.根据权利要求1所述的电压源远程校准系统，其特征是，所述第一GPS共视接收机和所述第二GPS共视接收机均为SYN4102型GPS同步时钟。

6.根据权利要求1所述的电压源远程校准系统，其特征是，在所述现场控制计算机和所述远端控制计算机内均设有配置信息管理模块、校准控制模块、测量状态显示模块和数据处理及报告生成模块。

7.一种电压源远程校准方法，其特征是，包括如下步骤：

a、初始化标准器和待检表；所述待检表为直流电压源；

b、设置检定参数；

8.根据权利要求7所述的电压源远程校准方法，其特征是，第一电压频率转换模块和第二电压频率转换模块均包括LM331芯片以及外围电路。

9.根据权利要求7所述的电压源远程校准方法，其特征是，第一时间间隔计数器和第二时间间隔计数器均为SYN5636型高精度通用计数器。

10.根据权利要求7所述的电压源远程校准方法，其特征是，第一GPS共视接收机和第二GPS共视接收机均为SYN4102型GPS同步时钟。