CN101738947A - 一种高速高精度过程参数在线校准测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动化仪表的测量仪器，公开了一种高速高精度过程参数在线校准测试仪。它包括与PC机相连并进行数据通讯的微处理、与微处理器相连的测量模块、输出模块、配电管理模块和信号调理模块，所述测量模块包括高速高精度恒周期多斜积分式A/D转换器，所述输出模块包括高速高精度A/D转换器，其中，高速高精度恒周期多斜积分式A/D转换器与高速高精度A/D转换器之间连有低温漂低噪音电压基准源。本发明主要用于对工业自动化控制系统(DCS和PLC)等自动化仪表的测量和输出信号进行自动高精度校准测试，既可用于产品研发，也可用于生产线上产品质量检测与控制，广泛应用于电力、石化、冶金等生产过程仪器仪表的维护校准。

Description

一种高速高精度过程参数在线校准测试仪

技术领域

本发明涉及工业自动化控制系统(DCS和PLC)等自动化仪表的测量仪器，尤其涉及一种高速高精度过程参数在线校准测试仪。

背景技术

近十几年来，随着我国工业企业的快速发展，为应对激烈的市场竞争，提高自身的竞争优势，避免产品质量因人工操作带来的不稳定性，企业越来越依赖各种先进的自控系统和仪表来提高产品质量和生产效率。各种工业自动化控制系统和现场检测仪表(如DCS、PLC、工控机、无纸记录仪、压力变送器、流量计、阀门等)得到前所未有的发展，工业自动化控制系统和现场检测仪表也由上世纪九十年代初期国外少数跨国企业一统天下到目前国内数千家自动化仪表和控制系统生产企业。

由于生产自动化仪表和控制系统过程中所需要的高精度信号校准测试设备和核心技术全部由国外知名公司(如美国FLUKE、HP、GE)所垄断，价格昂贵，如美国FLUKE的F743，单机价格7万多，配上系统软件和必要的压力模块，价格在15万以上。美国GE公司新推出的DPI620，一整套价格也在15万左右。FLUKE 5520价格大约30万左右，只有少数省级以上计量部门和石化企业才买得起。而国内校准测试仪器厂家基本上都生产0.1％到0.02％精度之间，而且功能单一，缺乏跟国外公司的市场竞争力。导致很难取代进口校准测试设备。据统计，仅美国FLUKE在国内的过程信号校准测试设备2008年中国市场销售额大约在6000万美金。

同时，国内绝大多数仪表和系统厂家采用电阻箱(精度0.1％)、直流电位差计(精度0.1％)等传统低精度校准测试设备来人工校准测试产品。他们生产的产品精度低，从而直接影响控制系统整体性能。目前，国内虽然有高精度的校准测试产品，但由于采用∑-Δ模数转换器技术，实质是采用以速度换分辨率的方案，很难满足在线高速高精度校准测试的需要。因而解决目前工业企业、仪表厂家、控制系统厂家等仪表产品高速高精度在线校准测试是非常紧迫和有意义的。数千家仪表厂家以及更多的系统集成商、工程公司、广泛的工业企业是个巨大的潜在市场。

发明内容

本发明针对传统技术中存在的低精度校准测试设备会直接影响控制系统整体性能，以及少数高精度校准测试产品由于采用∑-Δ模数转换器技术，实质是采用以速度换分辨率的方案，很难满足在线高速高精度校准测试需要等缺点，而提供了一种高速高精度过程参数在线校准测试仪。它实现了压力、直流电压、直流电流、频率、毫伏、电阻、热电偶、热电阻以及开关量等几乎所有过程信号的高精度测量和模拟输出，精度高达0.01％，温漂系数3PPM/℃，同时可以实现模拟变送器输出，24V配电、阀门开度自动校验、测试数据自动保存、生成报表、数据库等功能。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

高速高精度过程参数在线校准测试仪，包括与PC机相连并进行数据通讯的微处理器，还包括与微处理器相连的测量模块、输出模块、配电管理模块和信号调理模块，所述测量模块包括高速高精度恒周期多斜积分式A/D转换器(ADC)，所述输出模块包括高速高精度D/A转换器(DAC)，其中，高速高精度恒周期多斜积分式A/D转换器与高速高精度D/A转换器之间连有低温漂低噪音电压基准源。

作为优选，所述测量模块包括过压保护电路和低噪低温漂放大电路，所述输出模块包括过压保护电路。

作为优选，所述高速高精度过程参数在线校准测试仪还包括系统控制程序，系统控制程序包括参数设定模块、端口分配模块、配电分配模块、测量校准模块、输出校准模块、误差分析模块、报表形成模块、数据记录模块和打印报告模块。

作为优选，所述高速高精度恒周期多斜积分式A/D转换器包括积分器、斜坡放大器和比较器。

作为优选，所述过压保护电路包括高耐压信号继电器、正向保护器件、反向保护器件、高输入阻抗电压跟随器和自恢复过流保护器件。

本发明由于采用以上技术方案，产生了十分有效的技术效果：采用的恒周期多斜积分式A/D转换电路，在提高A/D转换速度的同时提高了转换精度；通过Cadence CAD平台仿真技术，优化了基准源PCB布线，降低了高精度电压基准信号传输过程中的精度损失；采用桥式过压保护电路，通过保护二极管的偏置跟随，降低了保护电路漏电流，在实现了电路保护的同时，减少了保护电路引起的精度误差。本发明主要用于对工业自动化控制系统(DCS和PLC)等自动化仪表的测量和输出信号进行自动高精度校准测试，既可用于产品研发，也可用于生产线上产品质量检测与控制，广泛应用于电力、石化、冶金等生产过程仪器仪表的维护校准。

附图说明

图1是本发明实施例在使用中的原理结构示意图。

图2是本发明实施例的原理框图。

图3是本发明实施例中测量模块和输出模块的原理框图。

图4是本发明实施例的系统控制程序流程图。

图5是本发明实施例的系统控制程序的功能模块图。

图6是现有技术中双斜式A/D转换器的原理图。

图7是现有技术中双斜式A/D转换器中积分器输出的电压波形图。

图8是现有技术中∑-Δ型A/D转换器的原理图。

图9是现有技术中∑-Δ模数转换器芯片的功能框图。

图10是本发明实施例中恒周期多斜积分式A/D转换器的电路原理图。

图11是本发明实施例中恒周期多斜积分式A/D转换器的积分器输出的电压波形图。

图12是本发明实施例中PCB布局采用的接地法接线示意图。

图13是采用传统接地时到达测量电路的基准电压噪音波形图。

图14是采用本发明实施例的接地法时到达测量电路的基准电压噪音波形图。

图15是本发明实施例中过压保护电路的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图1至图15与实施例对本发明作进一步详细描述：

实施例高速高精度过程参数在线校准测试仪，如图1所示，包括与PC机1相连并进行数据通讯的微处理器2，还包括与微处理器2相连的测量模块、输出模块、配电管理模块6和信号调理模块7，所述测量模块包括高速高精度恒周期多斜积分式A/D转换器3，所述输出模块包括高速高精度D/A转换器5，其中，高速高精度恒周期多斜积分式A/D转换器3与高速高精度D/A转换器5之间连有低温漂低噪音电压基准源4。

待校准设备9(如DCS，PLC，无纸记录仪，各种变送器等测控设备)通过端子分配口8接入到校准仪，因为各种二次仪表的端子位置不同，信号类型也不同，所以需要在PC机1中对每种被测设备进行端子分配设置，这些信息被保存在PC机1的数据库中，在实际的生产校准测试过程中，只需要在PC机1上选择相应的型号即可。端子分配口8经过分配后，待测量信号被自动接入到校准仪的测量模块，程控输出源信号被自动接入到校准仪的输出模块。

测量模块根据信号种类，经信号调理模块后按信号量程的大小进行量程切换，然后进入到高速高精度恒周期多斜积分式A/D转换器进行测量。因为测量速率直接制约着校准测试的速度，特别是在线校准测试时，测量速率直接影响着生产效率；而测量精度影响着校准测试的效果，所以既高速又高精度的测量，是在线过程参数校准测试的基本要求。本发明采用的既能高速率又能高精度的A/D转换电路，利用恒定周期积分法和正负基准固定次数接入法，补偿了模拟开关漏电流造成的影响，并通过实时校零技术，实时地跟踪温漂等各种非系统误差值，并在最终计算中将这些误差值当作固定偏置去除，从而在提高测量速率的同时，大大提高了测量的精度。

输出模块是根据信号种类，将高速高精度DAC输出的电压信号经过量程转换后输出到端子接口。测量和程控输出源使用同一个电压基准，这有利于保证测量和输出信号的统一性。

配电管理模块6负责设置配电的方式和配电的大小。如在校准回路电流时，往往需要对被校准的仪表或设备施加24V的配电，而接线方式又分为三线制和四线制等，所以配电管理模块的功能是必不可少的。

微处理器2负责整个电路中各个模块的协调工作，并接受上位机命令，完成各种校准和测试工作。

图2为本发明实施例的原理框图，高速高精度过程参数在线校准测试仪，采用恒周期多斜率积分式A/D转换电路技术，既保证了系统的测量和输出信号能达到或超过0.01％准确度，又达到了高速测量的目的。本系统既可用于产品研发，也可用于生产线上产品质量检测与控制，广泛应用于电力、石化、冶金等生产过程仪器仪表的维护校准。也可以单台或多台与控制软件组成完整的高速自动校准测试系统。

图3是本发明实施例中测量模块和输出模块的原理框图。由于影响信号的准确度的因素主要有模数转换精度、信号噪声、硬件的温漂、硬件的时漂等，本发明采用了低噪声放大技术，温漂、时漂硬件自动抵消技术，有效解决了信号实现高精度的技术瓶颈。

图4是本发明实施例的系统控制程序流程图。系统控制程序软件实现了过程信号校准测试自动化，包括系统参数设置模块、被检仪表常规信息采集模块、被检仪表信号数据采集和记录、报表打印以及实时数据库和历史数据库等管理功能。在线过程参数校准中，强大的软件功能对于提高生产的自动化程度或效率是必不可少的。本发明中的软件部分按功能可以分为参数设定模块、端口分配模块、配电分配模块、测量校准模块、输出校准模块、误差分析模块、报表形成模块、数据记录模块和打印报告模块。

各功能模块如图5所示，

其中，参数设定模块：主要用来根据被校准设备的类型设定信号的类型、信号的量程、配电方式、误差允值、校准测试点等参数。

端口分配模块：主要用来根据被校准设备的型号来确定信号接线端子的接入方式。

配电分配模块：配电分配包括是否配电和配电的大小；可用的配电电压为24V或12V。

测量校准模块：测量校准包括一系列测量校准操作，首先根据参数设定部分的校准测试点的值，通过程控源输出到被校准设备，然后读取被校准设备的测量结果，将此结果与测试点的值比较，并输出校准结果。

输出校准模块：输出校准包括一系列输出校准操作，首先根据参数设定部分的校准测试点的值，通过RS232通讯接口让被校准设备输出该值，然后测量该值，并将测量结果与测试点的值比较，然后输出校准结果。

误差分析模块：误差分析用来对被校准设备进行校准后的测试，用来验证校准结果；并统计误差值，该功能可用来自动生成被校准设备的性能参数。

报表形成模块：该部分用来对校准的结果数据进行报表，如被校准产品的参数报告，每个编号产品的参数备份等。

数据记录模块：数据记录用于在产品的生产校准中对批次的校准结果形成各类参数数据，用于存档和分析。

打印报告模块：用于对必要的参数进行打印，可用于生成产品的随机参数列表。

过程信号校准系统的一个核心技术就是高速率、高准确度的模拟/数字转换(ADC)技术。目前现有类似产品使用的模拟/数字转换器基本上是双斜积分式A/D转换器(Dua1 Slope A/D Converter)和∑-Δ型模数转换器。

双斜式ADC的原理，如图6所示，及其积分器输出的电压波形图，如图7所示。其主要优点是线性优良、灵敏度高，特别是在抑制电网频率串模干扰方面具有明显的优越性。但是双斜式A/D转换技术有一个很大的不足，即转换速率较低，设计数器的分辨率为n位，则进行一次满度测量所需时间为：T＝2×2n×T0；其中T0为时钟周期。可见，当测量精度要求较高，即位数较高时，双斜式A/D转换器的转换时间将大为延长，不适合对测量速率要求较高的场合；另外一个影响其转换精度的致命缺点是，双斜式ADC对积分电容的要求非常高，且没有开关漏电流修正功能，使其满量程线性度很难提高。

目前双斜式ADC已被集成化，市售过程信号校准仪使用的基本是单芯片A/D转换器方案，转换精度达到四位半精度，但很难再提高，且温漂和时漂误差很难控制。而三斜积分式ADC提高了转换的速率，但仍然无法减少开关漏电流、积分电容充放电特性所导致的误差，从而很难在根本上提供转换器的性能。

∑-Δ型模数转换器又称为过采样转换器，以低位量化器(通常是1位)和很高的采样速度将模拟信号数字化，利用过采样技术，噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率，实质是采用以速度换分辨率的方案。∑-Δ型模数转换器含有一个比较器、一个开关、一个或几个积分器及模拟求和电路(即所谓积分或求和∑)和较复杂的数字信号处理电路，分为模拟部分15和数字部分21，如图8所示。

目前市场流行的有24位的∑-Δ模数转换器芯片，最高可实现6位显示精度，高精度转换时，转换速率较慢。图9是∑-Δ模数转换器芯片的功能框图。

∑-Δ模数转换器有着其自身的优点，但缺点也显而易见，那就是不适合用分立元器件组装，过程信号校准仪使用的基本是单芯片方案；使用单芯片方案的缺点是，虽然单芯片的∑-Δ模数转换器芯片有着非常优秀的性能，但要整个校准系统都能保持此性能，就必需使用性能同样优秀的外围电路，如信号调理电路、量程切换电路和保护电路等，整机结构复杂，造价较高，且不容易解决温漂、时漂问题；另一方面，∑-Δ模数转换器的结构特点决定了其转换速率很难做高，目前市面上的24位单芯片∑-Δ模数转换器的满精度测量速度一般为若干次每秒；这是制约在线校准测试系统效率的瓶颈。

本发明从减少转换器的固有误差入手，采用了恒周期多斜积分式A/D转换器，既有积分式A/D转换器的特点，如工频串模信号抑制功能，又能实现信号的高速测量；且其创新的恒定周期补偿功能，降低对外围器件的性能要求，其自动校准功能可大大减少温漂和时漂的影响，使整机的性能仅取决于基准模块的性能，从而降低了多数器件的性能要求，进一步降低了产品的成本。

双斜率A/D转换器的积分时间偏长，且往往需要给充、放电积分电容提供更大的电压余量，以使其能够在长时间的积分期后不至于饱和。在多斜率积分型A/D转换器中，在积分期或充电期(上斜坡期，即积分阶段)一些电荷是被周期性地被去除或被加入的，所以未知的输入电压是永远不会使积分器输出饱和的；只留有相对较少的电荷存留在积分电容上，这些残留电荷在去积分(deintegrate)期或是放电期(下斜坡期，即反向积分期，去积分期)被去除。在积分期内去除或加入电荷，其数量是被计数的，其计数值用来决定最终的测量电压值。这种多斜积分技术也用在去积分或下斜坡阶段，以缩短积分电容的放电时间，这样有助于提高转换器的灵敏度和转换速率。实践中发现，在测量时保持开关次数不变，并将正的和负的电压基准交替地连接在积分器上，那么由于开关的泄漏电流造成的非线性将会被大大减少。

本发明中恒周期多斜式积分型模拟-数字转换器(ADC)的原理框图如图10所示，包括积分器12、斜坡放大器13和比较器14；积分器12对被测信号进行积分，同时正的和负的基准电流也在微处理器2的作用下，有选择地加入到积分器12的输入端，微处理器2根据比较器14的输出来确定加入基准电流的极性，以减少积分器12的输出电压幅度。在去积分期，输入电压断开，用高速计数器对变化缓慢的斜坡进行计数测量，从而获得更高的精度和准确度。

控制器(微处理器2)控制着正负基准的接入，并以一种特殊的开关次序使积分器上不期望有的注入电荷(开关的泄漏电荷)最小。即，在接通开关之前已确保其他的开关全部断开，且每一时刻只有一个基准电压(正的或负的)叠加到积分器的输入端。在积分期，不可能同时有2个开关闭合，且在控制器查看比较器输出时均断开。这2个开关的次数一致。积分期开关变换时仍然是保持计数的，且开关变换的次数一致，甚至在2个基准都关闭时不频繁操作的开关也插入变换，以保证开关变化的数量一致。这种操作增加了线性度并缩短了积分周期的时间。处理器跟踪并记录着正负基准的开关次数和比较器的输出状态，并以此判断下一时刻哪一个基准应该接入。积分期间，正、负电压基准开关的闭合时间是分别进行计数的，这个阶段进行粗测。在去积分阶段，进行精测；与积分阶段的粗测结果加在一起就是最终的测量结果。在不同极性的输入电压下，积分器的输出电压波形图如图11所示。由此可见，本发明在提高转换速度的同时，也提高了转换精度。

本发明中整体电路的性能指标取决于电压基准电路的性能。由于整机电路的功能模块较多，元器件的数目较多，所以电压基准单元和测量电路中的A/D转换器以及程控源电路的的PCB布局非常关键。而其中影响最大的就是地线的布局，由于需要对多个模块提供基准电压，基准源与各模块间的走线不可能最近，而稍长的走线会对实际到达各模块的基准电压有着较大的影响。

传统的解决方案是使用多层板大面积敷铜走线技术，或PCB敷铜面镀金，以减少地线走线的阻抗；然而大面积的敷铜，会使敷铜面和电源地之间形成一个不规则极板形状的等效电容器，此等效电容器会吸收附近电路的泄漏电荷，使到达各模块的基准电压的信噪比降低。

本发明通过Cadence CAD平台仿真技术，对所设计的PCB地线走线布局进行仿真，发现使用“菊花型”接地法效果最为明显。如图12所示，为“菊花型”接地法的接线示意图。

改善效果对比图如图13和图14所示，图13为使用传统接地法，到达测量电路的基准电压噪音波形图；图14为使用“菊花型”接地法，到达测量电路的基准电压噪音波形图。

测量或校验设备的保护电路是必不可少的，一方面是防止上电瞬间的浪涌电流冲击，或雷电、强交变电磁场干扰；另一方面，也为用户在误操作的情况下保护硬件电路。

此处的设计要点是：1、确实能提供可靠的保护；2、添加这些电路不应影响精度。在测试测量应用中，必须为放大器输出终端、能量供给和类似元器件提供过电压保护。实现这个任务的传统方法是与钳位二极管一起，在输出节点到电源轨或其他门限电压之间，增加串联电阻，这个方法的缺点是过载情况下，串联器件上能量耗散高。

因为测量电路，如电压测量电路的输入阻抗非常大，保护器件的漏电流会作为一种偏置电流加入到前置放大电路，虽然可以通过标定消除这个偏置误差，但由于输入电压是不可预测的，所以保护器件的漏电流的大小往往也是不固定的，而且具有很敏感的温度特性；这些漏电流在精度要求不高的场合是可以忽略的，但在本发明的设计中，如果要确保满量程精度和温漂特性，那么还是需要对这些偏置漏电流进行相应的处理。

如图15所示，过压保护电路10包括高耐压信号继电器16、正向保护器件17、反向保护器件18、高输入阻抗电压跟随器19和自恢复过流保护器件20。在正常工作时，对保护器件施加跟随偏置，使其两端的电位相等，那么其漏电流的大小将变得微乎其微；而在突然加入较大的电压时，由于偏置电压的限制，保护器件两端的压降将变得很大，此时保护器件将达到雪崩或击穿临界点，从而将其两端的电压保持在一个安全电压值上。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种高速高精度过程参数在线校准测试仪，包括与PC机(1)相连并进行数据通讯的微处理器(2)，其特征在于：还包括与微处理器(2)相连的测量模块、输出模块、配电管理模块(6)和信号调理模块(7)，所述测量模块包括高速高精度恒周期多斜积分式A/D转换器(3)，所述输出模块包括高速高精度D/A转换器(5)，其中，高速高精度恒周期多斜积分式A/D转换器(3)与高速高精度D/A转换器(5)之间连有低温漂低噪音电压基准源(4)。

2.根据权利要求1所述的高速高精度过程参数在线校准测试仪，其特征在于：所述测量模块包括过压保护电路(10)和低噪低温漂放大电路(11)，所述输出模块包括过压保护电路(10)。

3.根据权利要求1所述的高速高精度过程参数在线校准测试仪，其特征在于：还包括系统控制程序，所述系统控制程序包括参数设定模块、端口分配模块、配电分配模块、测量校准模块、输出校准模块、误差分析模块、报表形成模块、数据记录模块和打印报告模块。

4.根据权利要求1所述的高速高精度过程参数在线校准测试仪，其特征在于：所述高速高精度恒周期多斜积分式A/D转换器(3)包括积分器(12)、斜坡放大器(13)和比较器(14)。

5.根据权利要求2所述的高速高精度过程参数在线校准测试仪，其特征在于：所述过压保护电路(10)包括高耐压信号继电器(16)、正向保护器件(17)、反向保护器件(18)、高输入阻抗电压跟随器(19)和自恢复过流保护器件(20)。

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