CN204788450U - 一种工业安全在线仪表校验仪校准用的标准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及工业安全在线仪表校验仪校准用的标准装置，有效解决工作效率低，而且准确率低，影响安全使用和安全生产的问题，其解决的技术方案是，包括壳体和壳体内的控制电路，壳体上有信号输入接口和信号输出接口，控制电路包括输入测量部分A、数字及人机接口通讯部分B和信号输出部分C，输入测量部分A、信号输出部分C分别与数字及人机接口通讯部分B相连，本实用新型结构新颖独特，准确度高，携带方便，性能稳定性好，使用简单，工作效率高，准确，安全。

Description

一种工业安全在线仪表校验仪校准用的标准装置

技术领域

本实用新型涉及电器，特别是一种工业安全在线仪表校验仪校准用的标准装置。

背景技术

随着工业过程自动化及计算机技术的不断发展，为了保证工业生产的安全运行，要定时对生产过程中使用的仪表进行校准、维护。由于国家对工业安全生产的日益重视，工业过程校验的工作量也不断加大，也就对工业安全在线仪表校验仪的自动化和准确性提出了更高的要求。因此需要研制准确度高、功能齐全的标准装置，从而保证工业安全在线仪表校验仪计量的准确性，提高校验的效率。

校验仪用于检验工业过程控制仪表及系统各个环节（现场传感器、显示记录仪表、变送器、执行机构、控制器等）的工作运行状况：正常、故障、性能指标等；以及校准这些环节，使其达到规定的工作精度或准确度。其主要特点是同时具有独立的电信号测量单元和电信号输出单元，部分校验仪并可根据需要将一些测量或输出的电信号以本身的物理量的形式显示（如温度、压力等）。

校验仪可在用户设定的工作模式下测量和输出各种过程信号（如电压、电流，电阻，频率以及热电偶和热电阻等），并可以按用户的需求处理、显示、存储各项数据，同时可以根据实际需要任意设定各种过程信号输出的幅值、模式等，具备准确度高、携带方便、稳定性好等优点。

经过多方面的资料收集和调研，项目组发现国内尚无专门用于对校验仪进行校准的标准设备，我国各大型企业和省级以上的计量部门普遍使用的标准设备大多是安捷伦和福禄克等公司所生产的数字多用表和多功能标准源，这类设备普遍价格高，服务成本昂贵，对环境条件的要求较高，主要用于实验室，不便于在生产现场使用。并且这类设备的测量/输出范围较宽，对工业安全在线仪表进行检校只是用了其测量/输出范围中的很小一部分，造成资源浪费，并且对一些具有热电偶和热电阻功能的工业安全在线仪表，使用这类设备大都无法直接对其进行校准，还需通过公式或查表进行计算，使整个校准过程变得复杂。工作效率低，而且准确率低，影响安全使用和安全生产。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型之目的就是提供一种工业安全在线仪表校验仪校准用的标准装置，可有效解决工作效率低，而且准确率低，影响安全使用和安全生产的问题。

本实用新型解决的技术方案是，包括壳体和壳体内的控制电路，壳体上有信号输入接口和信号输出接口，控制电路包括输入测量部分A、数字及人机接口通讯部分B和信号输出部分C，输入测量部分A、信号输出部分C分别与数字及人机接口通讯部分B相连，输入测量部分A结构是，第一端口保护切换器与壳体上的信号输入接口相连，第一端口保护切换器分别经电阻测量前置调理器、频率脉冲测量前置调理器、电压测量前置调理器、电流测量前置调理器与A/D转换器相连，电阻测量前置调理器与恒流源相连，A/D转换器分别与温度传感器、基准源和数字及人机接口通讯部分B的微处理器相连，数字及人机接口通讯部分B结构是，微处理器与第一端口保护切换器、第二端口保护切换器、D/A转换器相连，微处理器上装有相连的LED显示器、键盘、存储器和RS232接口，信号输出部分C结构是，第二端口保护切换器经模拟电阻发生器、频率脉冲信号发生器、电压信号发生器、电流信号发生器与D/A转换器相连，第二端口保护切换器与壳体上的信号输出接口相连，D/A转换器与基准电源相连，D/A转换器与微处理器相连。

本实用新型结构新颖独特，准确度高，携带方便，性能稳定性好，使用简单，工作效率高，准确，安全，有良好的经济和社会效益。

附图说明

图1为本实用新型的外部结构立体图。

图2为本实用新型的电路连接框示图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明。

由图1、2所示，本实用新型包括壳体和壳体内的控制电路，壳体21上有信号输入接口22和信号输出接口23，控制电路包括输入测量部分A、数字及人机接口通讯部分B和信号输出部分C，输入测量部分A、信号输出部分C分别与数字及人机接口通讯部分B相连，输入测量部分A结构是，第一端口保护切换器1与壳体上的信号输入接口22（P1）相连，第一端口保护切换器1分别经电阻测量前置调理器6、频率脉冲测量前置调理器7、电压测量前置调理器8、电流测量前置调理器9与A/D转换器4相连，电阻测量前置调理器6与恒流源5相连，A/D转换器4分别与温度传感器11、基准源10和数字及人机接口通讯部分B的微处理器2相连，数字及人机接口通讯部分B结构是，微处理器2与第一端口保护切换器1、第二端口保护切换器3、D/A转换器20相连，微处理器2上装有相连的LED显示器12、键盘13、存储器14和RS232接口15，信号输出部分C结构是，第二端口保护切换器3经模拟电阻发生器16、频率脉冲信号发生器17、电压信号发生器18、电流信号发生器19与D/A转换器20相连，第二端口保护切换器3与壳体上的信号输出接口23（P2）相连，D/A转换器20与基准电源相连，D/A转换器20与微处理器2相连。

所述的微处理器型号为STM32；所述的显示器为高清彩色触摸屏，分辨率为640×480；

所述的D/A转换器为AD5780型DA数模转换器，A/D转换器为ADS1246型模数转换器。

本实用新型主要有两个功能，即：输入测量功能和信号输出功能，输入测量功能是将需测量的信号经过信号调理后，送入A/D转换器进行数据采样和转换。然后A/D转换器将转换的结果送给微处理器（MCU，MicroControlUnit）的微控制单元进行数据处理，计算出相应的结果并显示。

信号输出功能是由键盘根据所需要的功能和量程，经微处理器转换成相应的电平，所得的值送入D/A转换器，D/A转换完成后经过一系列的信号驱动电路后得到相应的输出量，输出量可以替代电压源、电流源、信号发生器等多种仪器为现场设备提供所需要的标准源。

工业安全在线仪表校验仪标准装置可通过液晶屏显示测量结果和输出信号值，也可以通过RS232通信与PC机建立连接，在PC机上对结果作进一步的分析处理。

工业安全在线仪表校验仪标准装置主要由微处理器（MCU）、数字及人机接口通信单元、输入测量单元、信号输出单元、电源等组成。其中输入测量单元包括直流电压测量模块、直流电流测量模块、电阻/热电阻测量模块（2线和4线可选）、热电偶测量模块、脉冲/频率测量模块；信号输出单元包括直流电压输出模块、直流电流输出模块、电阻/热电阻输出模块（2线和4线可选）、热电偶模拟输出模块、脉冲/频率输出模块。

1、微处理器（MCU）

微处理器（MCU）采用STM32系列，基于专为要求高性能、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。微处理器是整个装置的指挥中心，进行数据的运算控制，对存储器单元进行读写，响应按键输入，将结果输出至6寸高清彩色触摸屏进行显示，同时与RS232接口进行数据交换。

同时又采用了双CPLD设计，CPLD(A)采用并口和CPU通信，主要完成I/O扩展桥接的功能，负责各ADC，DAC和CPU之间的通信，并完成量程控制以及保护等功能。

CPLD(B)主要完成脉冲信号的频率测量、记忆输出和分频调制功能。

、数字及人机接口通信单元

数字及人机接口通信单元由存储器单元、按键单元、显示屏和RS232接口组成。各部分功能简述如下：

存储器单元采用EPROM，存储各类非易失性数据。

按键单元采用物理按键和1个旋转编码器，主要包括：电源开关、表/源各电量测量模式切换、2W/4W测量模式切换、脉冲输入/输出模式切换、清零、校准、复位和退出当前操作等功能按键，设计紧凑、功能齐全，涵盖该仪器的所有功能操作。

显示屏采用6寸高清彩色触摸屏，分辨率为640×480,高亮清晰，且功耗低。主界面主要由5部分组成，分别为：TC功能显示操作窗、表测量功能显示操作窗、源输出功能显示操作窗、当前电量值显示窗和功能键区。可以用触摸屏完成所有操作，信息齐全，且重点突出，方便用户查看。触摸屏为行业内首创，配合嵌入式软件，可便捷的进行相关功能操作，大大提高检定效率。

与上位机通讯采用RS232串口通信接口，为目前行业内的主流通信接口，可与PC机直接进行通信，配合上位机软件完成数据管理、报表打印等功能。

3、输入测量部分

3.1ADC模数转换器

ADC是测量电路的核心，该仪器采用24位低功耗、高精度ADC，可保证各电量测量值的准确度和线性度。采样后的信号经调理放大滤波后输送给ADC，ADC将对应的模拟信号转换为数字信号，传输至微处理器进行运算处理。

3.2REF高精度基准

电压基准是保证测量准确度的关键器件，其性能的好坏直接决定了该仪表测量的准确度和稳定性，系统采用每千小时10ppm漂移的电压基准。电压基准为ADC和DAC提供电压参考。

3.3电压测量前置调理器

标准装置根据校验仪的需求设置了mV至100V之间的电压输出量程，电压信号取样采用分压电阻采集电压信号。在选用分压电阻式要考虑功耗和温飘，例如100V量程下再用100：1的分压电阻，功耗控制在10mW以下，这样可以最大限度的减小电阻发热，避免电阻发热引起的分压电阻比例的变化，综合功耗和温飘，选用了10M的100：1电阻分压网络，分压比率的温漂系数为1ppm，这样满量程输出时分压电阻的功耗为1mW,根据分压电阻手册推出电阻相对环境的温升不超过1度，从而保证分压电阻发热带来的比率误差不超过1ppm。

3.4直流电流测量前置调理器

标准装置根据校验仪的需求设置了20mA至100mA两个直流电流测量量程，为保证长期精度、减小负载效应，前端采用四线精密低温漂电阻作为电流取样，实现电流信号到电压信号的转换，得到的电压信号送给ADC做测量用。

3.5电阻/热电阻测量前置调理器

该控制单元实现电阻两线和四线测量方式，以及电阻清零控制电路。由于普通继电器工作时发热，触点会有热电动势，降低测量精度，此处使用磁保持继电器消除温度影响。恒流源流经被测电阻，然后流过标准电阻。产生的电压，必须采用差分放大，降低共模干扰，经滤波后送给ADC。

3.6程控精密电流源

电阻测量时，不同的量程需要不同的电流值，使用独立设计的V/I压控恒流电流源，根据要求，此处硬件保证电流值≤1mA。通过DAC可设置0～1mA之间任意电流值，满足多量程电阻测量需求。

3.7温度传感器

为保证冷端测温的准确性，设计了高准确度度热电偶参考端等温补偿装置，由等温板、感温元件、测温电路、保温盒等组成，保证其准确度在环境温度为20℃~30℃下不超过±0.1℃，使得标准装置热电偶测量/输出功能在采用冷端补偿的情况下准确度达到±0.2℃。

3.8脉冲/频率测量前置调理器

被测的脉冲信号输入可能含有噪声，特别是边沿抖动，经过比较器，斯密特整形电路得到理想方波信号，送入CPLD做脉宽测量，测量后的数据送入CPU处理后即可得到对应的脉冲频率。

3.9端口保护和切换部件

完成各测量功能的切换和过载保护。

4信号输出单元

4.1DAC数模转换器

DAC是电量输出控制器，可完成电压输出调节功能。MCU根据用户期望的输出电压值计算得到对应的二进制代码发送给DAC，DAC将二进制代码转换成对应的调节控制电压值输送给下级驱动电路，从而最终输出一个用户期望的电压值。

4.2REF高精度基准

电压基准是保证测量精度的关键器件，其的性能好坏直接决定了该装置测量的准确度和稳定性，系统采用每千小时10ppm漂移的电压基准。电压基准为ADC和DAC提供电压参考。

4.3电压信号发生器

根据校验仪的需求设置了mV至100V之间的电压输出量程。电压输出的反馈测量端使用电阻分压拾取输出端信号，而在选用分压电阻式要考虑功耗和温漂，例如100V量程下再用100：1的分压电阻，功耗控制在10mW以下，这样可以最大限度的减小电阻发热，避免电阻发热引起的分压电阻比例的变化，综合功耗和温漂，选用了10M的100：1电阻分压网络，分压比率的温漂系数为1ppm，这样满量程输出时分压电阻的功耗为1mW,根据分压电阻手册推出电阻相对环境的温升不超过1度，从而保证分压电阻发热带来的比率误差不超过1ppm。

将DAC输出的电压信号和电阻采样的反馈电压信号送到积分电阻并进行放大。

4.4电流信号发生器

考虑到工业安全在线仪表的实际需求，电流源具有20mA和100mA两个量程，满足绝大部分校验仪的检定需求。

将DAC输出的电流信号和电阻采样的反馈信号送到积分电阻并进行放大，经过V/I变换电路输出到端子。

为保证长期精度，减小负载效应前端采用四线精密低温漂电阻作为电流取样。实现电流信号到电压信号的转换，得到的电压信号一路送给ADC做测量用，一路电压反馈到调节积分电路来控制输出平衡。

此外电流源输出还具有过载开路保护功能。当检测到电流回路的电流值超过阈值电流时，触发保护控制电路，关闭信号放大调理单元，使输出为0，从而达到保护的目的。

4.5电阻/热电阻发生器

电阻输出实现采用了等效电阻的方法，即模拟电阻。电阻的定义为：当在一个电阻器的两端施加1V电压时，如果这个电阻器有1A电流流过，则这个电阻器的阻值为1Ω。电阻表正是利用电阻的定义来测量电阻的。电阻表实际就是一个电流源和电压表的组合，电阻输出单元正是根据电阻表的测量原理来实现电阻等效输出的。

当电阻表正确连接到电阻输出单元的端子时电阻表的电流源会流经电阻输

出单元，信号采集电路正是在电阻输出单元的负端子处用电阻来采集该电流信号，并将负端子处的电位作为整个电阻输出单元的地参考点，然后将调理好的电压信号当做基准送给DAC做参考。

4.6脉冲输出单元

脉冲输出单元采用DDS调频输出，调频信号作为开关量控制可调幅的电压信号之后即得到调频调幅的脉冲输出信号。

要指出的是，本实用新型中各电气元件均为现有技术，本实用新型的贡献在于将各部件科学的组合在一起，构成一种新型的工业安全在线仪表校验仪校准用的标准装置，因此，凡在结构上与本实用新型相同、相近似本质上相同的技术方案，均属于本实用新型的保护范围。

标准装置具有较高的准确度，实现了仅用一台设备即可完成0.01级及以下的各种工业传感器、过程仪表校验仪、变送器等仪器的检定或校准。在装置的研制中各种电量实现相互电气隔离，互不影响，从而保证了系统长期的稳定性及准确度。

标准装置采用标准源输出模式，能自动切换量程；系统使用非常完整的电气保护（如静电、电压电流的瞬间过载），以适合各种复杂工业条件下的测量与应用。标准装置设计有通讯接口，今后还将对该装置进行功能扩展，通过RS-232接口与计算机连接，用软件实现全自动校准及数据管理。

该标准装置的主要特点包括：

（1）标准装置的小电压（流）输出的稳定性对系统的设计有着重要的作用，为了保证小电压（流）输出的稳定性，我们重点在以下方面做了研究：

1）基准参考电压选用ADI公司的高精度、低温漂的AD588，其温漂系数为1.5ppm/℃，准确度可达0.01％。

2）采用高导磁率的磁性材料对小电压、小电流电路进行电磁屏蔽。首先，使用特制屏蔽罩将小电压、小电流的生成电路的印制板全部屏蔽起来，然后，再使用屏蔽线将小电压、小电流的输出线路部分全部屏蔽起来，避免系统或者外部的射频信号干扰输出电压。所有连接线均采用双绞线式屏蔽导线引出，印制电路板采用独立地层的多层板设计；小信号线全部采用交互式的差分线连接，优化电路布局；采用低噪声器件，采用LC的π形滤波网络，从而保证了小电压和小电流的稳定性。

3）需要克服热电效应及接触电动势，保证小电压和小电流的稳定性。为此我们在印刷板电路板设计时，对发热区、恒温区等严格分类，以达到重要电路处在恒温区内；对热电效应有严格要求的部分采用了磁保持继电器，磁保持继电器基本没有发热效应，消除热电效应带来的误差。小电压（流）源信号的传输线采用同种金属材料和冷焊技术制成的导线连接，尽量减少接触电动势和热电偶效应的影响。

4）对内部参考电压定时进行自校准，减少参考电压长期漂移对小电压（流）源信号的影响。

（2）电阻测量的准确度提高问题

为了提高电阻测量的准确度，设计的四线式电阻测量模块采用脉冲电流技术、电流反向技术和参考电阻比较技术。在电阻的四线测量中为减少电流的热效应对测量的影响，电流源采用脉冲电流，间断性给被测电阻提供电流。为减少热电势对电阻测量的影响，电流源采用双极性，分别在正、负电流情况下测量电阻的电压降并取平均值。为减少电流源稳定性对电阻测量的影响，电路中串联一个参考电阻，同时测量两个电阻两端的电压，保证电流源漂移时不影响电阻测量准确度。

（3）热电偶冷端温度测量问题

研制了高准确度热电偶参考端等温补偿装置，由等温板、感温元件、测温电路、保温盒等组成，热电偶接线端子连接到等温板，确保接线端子与等温板温度一致，感温元件采用Pt100，与等温板紧密接触，测温电路根据感温元件的电阻变化测量等温板的温度，保温盒由保温材料和金属外壳组成，将等温板、感温元件、测温电路置于保温盒内，保证补偿装置准确度在环境温度为20℃～30℃下不超过±0.1℃，使得标准装置热电偶测量输出功能在采用冷端补偿的情况下准确度达到±0.2℃。

（4）零点自校正消除长期漂移影响

用零点自校正技术消除电路的零点漂移，在电路中增加磁保持继电器，测量前利用该继电器短路测量输入端，测量短路时电压信号，并在测量电压、电流时将该部分零点漂移予以扣除，有效提高了电压、电流测量的准确度。

Claims (3)

1.一种工业安全在线仪表校验仪校准用的标准装置，包括壳体和壳体内的控制电路，其特征在于，壳体（21）上有信号输入接口（22）和信号输出接口（23），控制电路包括输入测量部分A、数字及人机接口通讯部分B和信号输出部分C，输入测量部分A、信号输出部分C分别与数字及人机接口通讯部分B相连，输入测量部分A结构是，第一端口保护切换器（1）与壳体上的信号输入接口（22）相连，第一端口保护切换器（1）分别经电阻测量前置调理器（6）、频率脉冲测量前置调理器（7）、电压测量前置调理器（8）、电流测量前置调理器（9）与A/D转换器（4）相连，电阻测量前置调理器（6）与恒流源（5）相连，A/D转换器（4）分别与温度传感器（11）、基准源（10）和数字及人机接口通讯部分B的微处理器（2）相连，数字及人机接口通讯部分B结构是，微处理器（2）与第一端口保护切换器（1）、第二端口保护切换器（3）、D/A转换器（20）相连，微处理器（2）上装有相连的LED显示器（12）、键盘（13）、存储器（14）和RS232接口（15），信号输出部分C结构是，第二端口保护切换器（3）经模拟电阻发生器（16）、频率脉冲信号发生器（17）、电压信号发生器（18）、电流信号发生器（19）与D/A转换器（20）相连，第二端口保护切换器（3）与壳体上的信号输出接口（23）相连，D/A转换器（20）与基准电源相连，D/A转换器（20）与微处理器（2）相连。

2.根据权利要求1所述的工业安全在线仪表校验仪校准用的标准装置，其特征在于，所述的微处理器型号为STM32。

3.根据权利要求1所述的工业安全在线仪表校验仪校准用的标准装置，其特征在于，所述的D/A转换器为AD5780型DA模数转换器，A/D转换器为ADS1246型模数转换器。