现场型过程仪表校验仪的设计及应用

　　1　引言

　　随着生产过程自动化技术的发展,为了保证生产过程安全、可靠的运行,要随时对生产过程中使用的仪表进行维护和校准。传统的将生产过程中使用的仪表拿回实验室进行校准的方法已不能满足生产的要求,取而代之的是在现场直接对仪表进行校准。根据这一趋势,国外许多著名的仪表生产厂商纷纷推出自己的现场型过程仪表校验仪产品,如美国福禄克公司的F710系列,日本横河公司的CA10系列等等。这类校验仪除功能和应用范围及精度要满足需求外,同时它还应具有对温度、湿度变化及水溅和偶然跌落的环境适应能力。另外为了保证校验仪的精度指标,它还应能方便的溯源到国家标准。针对这些要求,深圳市胜利高电子科技有限公司开发了VC10系列过程仪表校验仪,该系列产品通过面板简单的按键操作可精确的输出和测量电压、电流、电阻、温度、频率、压力等过程信号并有完备的输入、输出保护功能。该系列产品采用大字符LCD显示,单节的9V电池或交流电源适配器供电,防震、防尘、防水溅的结构设计,体积如同普通的手持数字万用表,特别适合在现场对工业控制过程的各类仪表进行校准及维护。产品采用的面板校准技术,可使仪表很方便溯源至上一级标准。现以VC10系列中具有代表性的VC14、VC15为例说明它们的设计方法。

　　2　硬件电路设计

　　为满足较高的精度(0·02%量程)和分辨率(0·001%量程),输出和输入分别采用了20位的DAC和ADC。为提高稳定性和降低外界环境的影响,机内去掉了电位器等可调整元件,由微处理器在规定的时间自动进行一次内部校准以消除各种影响。由于VC14和VC15信号范围有所不同,它们的电路也稍有差异,现分别加以叙述。

　　2·1　VC14温度校验仪硬件电路设计

　　VC14主要用途是针对温度类显示仪表及传感器的校验、检查,所以它有7个分度号(R、S、J、K、E、T、B)热电偶和2个分度号(Pt100、Cu50)热电阻的模拟及测量功能,对于不是这些分度号的仪表和传感器可使用它的mV和Ω功能。它的原理实际是按照分度表输出一个相应的mV或Ω信号,或测量一个mV和Ω信号再根据分度表转换为相应的温度进行显示,由于仪表内部使用20位的DAC和ADC,所以具有很高的精度和分辨率,工作原理如图2—1。电压和热电偶输出:操作者通过面板的INPUT/OUTPUT和FUN功能键选定电压或热电偶输出功能,微处理器控制开关K1使公共端‘C’与‘V’接通。

　　此时DAC的参考输入为Vref,众所周知DAC输出VDA与参考输入Vref的关系为:VDA=Vref·D2n(n=20,D为数字输入码,从0~2n),故VOH=K1·VDA=K1·Vref·D2n(2—1)这时操作者通过面板设定的输出值由微处理器转换为D值,使仪表输出改变,由于D值为0~220,所以仪表输出VOH范围为0~K1·Vref,分辨率为1220,约1PPm(百万分之一)。K1值由用户操作面板的RANG键改变,使仪表输出不同量程的信号。电阻和热电阻输出:操作者通过面板的FUN功能键选定电阻和热电阻输出功能,微处理器控制开关K1使公共端‘C’与‘Ω’端接通,此时仪表外部必须有一个激励电流I,DAC的参考输入Vref=I·Rref,代入式(2—1),则VH=K1·I·Rref·D2n,所以输出HL两端的电阻R=VOHLI=K1·RrefD220(2—2),电阻输出的范围为0~K1·Rref,分辨率可达到1PPm,K1值由用户操作面板的RAGE键改变,使仪表输出不同量程的信号。