便攜式熱工儀表檢定儀的設(shè)計原理及示值誤差檢定方法

一、設(shè)計原理

1.檢定儀的基本構(gòu)成

該儀器采用大規(guī)模集成電路7135，它是一種雙積分式轉(zhuǎn)換器，配以譯碼器、數(shù)碼顯示器、驅(qū)動器及電阻、電容等元件，可組成滿量程為2V的數(shù)字電壓表，再配以高精度的運算放大器、毫伏信號發(fā)生器、雙穩(wěn)觸發(fā)器、繼電器等，就可構(gòu)成自動轉(zhuǎn)換量程的熱工儀表檢定儀。原理如圖1所示。

2.雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器工作原理

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器通過二次積分，將被測電壓變成一個時間間隔，其持續(xù)時間與被測電壓的平均值成正比。如果用計數(shù)器測量此時間間隔，就可在顯示器上直接讀出被測電壓的平均值。原理如圖2所示。

輸入被測電壓UX經(jīng)輸入電路作用到電子開關(guān)，控制器將電子開關(guān)接到UX端，以UX作用到積分器，先對UX積分，這個過程稱為采樣階段。由于邏輯控制電路發(fā)出采樣指令的作用，使采樣時間T1是固定值，同時，控制器使門開啟，時鐘脈沖通入計數(shù)器，使計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)。當計數(shù)器計滿時，輸出溢出脈沖作用到控制器，然后對標準電壓UR進行反向積分。當積分器輸出為零電平時，檢零比較器輸出信號作用到控制器，使門關(guān)閉，這時計數(shù)器所計時鐘脈沖就是被測電壓的數(shù)字量。對UR的積分過程稱為比較階段，比較時間為T2。工作波形如圖3所示。

設(shè)積分器從零電平開始對UX積分，積分器輸出為

式中:——UX在T1時間內(nèi)的平均值。

經(jīng)過一個固定時間T1后，計數(shù)器達到其滿量限N1值，采樣周期結(jié)束，積分器由U01開始，對UR反面積分，直到輸出為零時停止，這時積分器輸出為:

由于UR為常數(shù)，因此

將式(1)代入式(3)得

所以

由式(5)可見T2與UX成正比。

設(shè)時鐘脈沖頻率為f0，則

(N1、N2為脈沖數(shù)) (7)

將式(6)、式(7)代入式(5)則有:

考慮工頻為50Hz，通常取T1=20ms或它的整數(shù)倍，f0是固定的鐘頻，所以N1為一個常數(shù)?；鶞孰妷篣R也為一個恒定量，因而只要知道計數(shù)器在比較階段所計脈沖數(shù)N2，就可以準確地得到被測電壓UX的平均值。

因為是對平均值測量而不是對瞬時值進行測量，可將對稱的串模干擾平均抵消掉，所以抗干擾能力很強。只要積分采樣時間T1為干擾信號周期的整數(shù)倍，就有極高的串模抑制比。這種原理的數(shù)字電壓表準確度高，穩(wěn)定性好，其主要原因是UX和UR共用一個積分器及鐘頻，式(8)中不存在積分元件R和C變化的影響，降低了對積分器的要求。此外，測量比較時間T2的標準脈沖不需要長時間的穩(wěn)定性。因為經(jīng)V/T變換后的時間T2正比于T1，若T1有變化，T2也隨之變化，只要兩者變化速率相同，則對測量結(jié)果不產(chǎn)生誤差。

為了解決該儀器的穩(wěn)定性和末尾數(shù)跳字的問題，采用了高質(zhì)量的積分電容，準確度高的電阻。變壓器的初、次級進行有效地屏蔽和可靠的分離，在信號的輸入端加上RC濾波器、采用帶有靜電屏蔽的儀器外殼對整個電子線路部分進行有效屏蔽等。這些都可靠保證了該儀器的測量準確度和穩(wěn)定性。

二、主要技術(shù)數(shù)據(jù)

1.量程

(1)量程1:(-3.000～19.999)mV；

(2)量程2:(18.00～199.99)mV；

量程自動轉(zhuǎn)換。

2.準確度

本檢定儀在通電預(yù)熱調(diào)零后，在溫度(20±5)℃范圍內(nèi)不低于下述規(guī)定:

(1)量程1:±(0.05%搖讀數(shù)+5個字) (9)

(2)量程2:±(0.05%搖讀數(shù)+2個字) (10)

三、使用中需要說明的幾個問題

1.顯示位數(shù)

我們來看一下“檢定儀”的顯示位數(shù)問題，當使用1量程時，即(-3.000～19.999)mV，小數(shù)點后有3位顯示，不成問題。當使用2量程時，即(18.00～199.99)mV，小數(shù)點后有兩位顯示，分辨力為0.01mV。假設(shè)有一個0.5級(0～500)℃K分的被檢表，經(jīng)查表得:E500=20.650mV，此表允許誤差=0.5%×20.650=0.10325mV≈0.10mV。由此可看出小數(shù)點后兩位已達到檢定要求，即使能讀出小數(shù)點后3位也是無意義的。

2.設(shè)定外接電阻

該“檢定儀”設(shè)定了3個外接電阻，分別為0Ω、5Ω、15Ω，在檢定時一定要按照被檢表要求選擇相應(yīng)阻值，若被檢表要求的外接電阻值“檢定儀”沒有配備，應(yīng)在外線路上串接所需阻值再進行檢定，否則會帶來人為誤差。特別是當檢定一個表發(fā)現(xiàn)誤差很大需要修理時，更應(yīng)考慮是否因人為的疏忽或檢定方法不當造成的。

3.誤差補償

“檢定儀”在周期檢定時，若基本誤差不符合要求，可按以下步驟對其進行調(diào)試。

(1)先調(diào)整量程1:調(diào)整A/D轉(zhuǎn)換片7135的基準電壓電位器R1，直到顯示值符合要求。如圖4所示。

定運算放大器放大倍數(shù)為K，7135顯示數(shù)為:

若實際放大倍數(shù)(K″為附加倍率)

這時

我們可調(diào)整UR為，使

則

即為我們所設(shè)定要求。

(2)在調(diào)整好量程1的基礎(chǔ)上，再對量程2進行調(diào)整，調(diào)整運算放大器反饋電位器R4直到顯示值符合準確度要求。

四、示值誤差檢定方法

由于檢定儀在原理上屬于電子式儀表，是一種特殊類型的直流數(shù)字電壓表，所以在檢定時應(yīng)該按照直流數(shù)字電壓表的檢定規(guī)程進行。

直流數(shù)字電壓表的誤差檢定方法從原理上一般可歸納為直流標準電壓發(fā)生器法、直流比較法、直流標準儀器法3種。

具體采用哪一種方法，可根據(jù)所具有的標準設(shè)備和被檢儀器的級別選擇一種最合適、最經(jīng)濟可靠而又簡便的方法。

根據(jù)該檢定儀的設(shè)計原理及準確度(0.05級)，我們選擇用直流電位差計做標準的檢定方法(直流標準儀器法)。該方法是用直流電位差計(UJ51)和被檢檢定儀測量同一電壓，以直流電位差計的讀數(shù)為實際值求出被檢檢定儀的示值誤差。由于檢定儀輸入電阻很高，用直流電位差計可直接檢定檢定儀，此時可把直流電位差計作為一個直流標準電壓源，從其未知電壓端(即X端)輸出標準電壓信號給被檢檢定儀。如圖5所示。

當直流電位差計輸出一個標準電壓UN(用其讀數(shù)盤讀數(shù))，被檢檢定儀顯示讀數(shù)UX，檢定儀的基本誤差按照檢定規(guī)程應(yīng)表示為

Δ=±(a%UX+b%Um) (11)

式中:UX——檢定儀顯示值；Um——檢定儀滿刻度值；a——檢定儀準確度級別；b——與滿刻度值有關(guān)的誤差系數(shù)。

檢定儀允許誤差應(yīng)小于等于式(8)、式(9)。

在檢定時應(yīng)注意以下幾個問題:

1.應(yīng)使用0.01及以上級準確度低電勢直流電位差計(滿足計量標準裝置綜合誤差小于被檢檢定儀允許誤差的1/5)。以便檢定儀最大量程的測量上限不高于所用直流電位差計的測量上限，并保證直流電位差計在第一個十進盤有大于零的示值。其測量盤的最小步進值應(yīng)小于檢定儀的靈敏度，以保證檢定的準確度。

2.檢定前先進行預(yù)熱調(diào)零。操作步驟如下:“檢定儀”外接電阻開關(guān)于“0Ω”擋，儀表、熱偶開關(guān)處于“熱偶”位置，并將接線端“+”、“-”短路，通電預(yù)熱一小時后進行調(diào)零，然后去掉短路線，接上直流電位差計進行。若檢定時直流電位差計量程不滿足，可使用兩個標準電池串聯(lián)使用二倍直流電位差計工作電壓來擴展量程進行檢定。

3.檢定時若直流電位差計檢流計靈敏度不夠，可加放大器以提高檢流計靈敏度。

4.檢定設(shè)備應(yīng)有良好的屏蔽、接地措施，避免串模、共模干擾，以消除泄漏電流的影響。

5.檢定點在各量程均勻選取10點進行，上升下降各測量一次。