專利名稱：智能化熱工儀表檢定儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可對工儀表實施自動化檢定的熱工儀表檢定儀。屬儀器儀表技術領域。
由西安航空發機公司微電腦公司(國營紅旗機械廠)研制生產的RZJ－I熱電偶自動檢定儀，其電測A／D轉換部分由一臺7150型數字萬用表擔任，主控部分以TP－801單板計算機為基礎，外加一臺可控硅控制箱，該檢定儀存在如下幾方面的問題1、7150型高精度數字萬用價格很高人民幣1萬元以上，致使這種熱電偶自動檢定儀成本大大提高；而高精度數字萬用表的許多功能不能得到發揮。反過來又造成了硬件資源的浪費；2、控溫執行機構使用了與主機分離的可控硅控制箱，體積龐大。線路連接復雜；3、對常用熱電偶的檢定尚不能實現全自動化。仍需人工輸入檢定點溫度，最終結果需人工計算得出。
根據上述情況，考慮到工礦企業對熱工計量標準裝置的實際需求，發明一種智能化熱工儀表檢定儀，主要用于熱電偶的自動檢定，亦可用于多路高精度數據采集或作為閉環自動控制系統的智能化高精度二次儀表。對于改變目前熱工儀表檢定儀器的落后狀況是十分必要的。
本實用新型的發明任務是設計一種可以對熱工儀表進行自動智能化檢定低造價的熱工儀表檢定儀。
說明書附
圖1是本實用新型的構造方框圖。圖中1、CPU板，2、I／O接口，3、顯示器，4、打印機，5、鍵盤，6、低電勢掃描開關，7、高精度A／D轉換器，8、基準電壓源，9、輸入端子，10、自由端溫測電路，11、固態繼電器，12、報警器，13交流過零檢測電路。
說明書附圖2是低電勢掃描開關6的結構示意圖。
說明書附圖3是高精度A／D轉換器7的構造方框圖。
說明書附圖4是基準電壓源8的構造方框圖。
說明書附圖5是自由端溫測電路10的構造方框圖。
說明書附圖6是高精度A／D轉換器7的電路圖。
說明書附圖7是交流過零檢測電路13的電原理圖。
本實用新型的發明要點是1、高精度、高穩定性的模擬／數字轉換器ADC，與已有技術相比，以較低的成本不足500元取代了高精度數字萬用表，成本可降低1萬元。
2、CPU控制下的低電勢掃描開關解決了高精度多路循回測量的難題。
3、采用高精度過零觸發及智能化模糊控制算法相結合、軟硬件結合的方法，實現了對控制對象的高精度控制。
4、利用微機對測定的數據進行分析計算并打印出結果。代替傳統的人工記錄計算程序。
以下根據說明書附圖對本實用新型進一步介紹一種智能化熱工儀表檢定儀，包括由CPU板1、I／O接口2、顯示器3、打印機4、鍵盤5組成的微處理機，其特征是I／O接口2分別聯接有自由端溫測電路10、固態繼電器11、報警器12、交流過零檢測電路13、低電勢掃描開關6和高精度A／D轉換器7，低電勢掃描開關6分別與輸入端子9的端子對應聯接，有一基準電壓源8的電壓饋線與低電勢掃描開關6的接點相連接，低電勢掃描開關6與高精度A／D轉換器7構成模擬信號通路。
具體各單元的構成和工作原理如下1、低電勢掃描開關低電勢掃描開關的作用是在CPU的控制下完成低寄生電勢的多路信號切換任務。原理框圖見圖2，一個與步進電機6.1同軸的低電勢多點轉換開關6.2使得電刷6.3及遮光片6.4與軸的轉動同步。當開關轉到某一檔位置時，遮光片恰好檔住光電耦合器6.5上發光二極管射向光電接收管的光線。接收管截止，使得通過電路能確定此處作為開關的定位基準。開關轉到其它位置時光電接收管均能收到發光二極管發出的光線，光電接收管飽和。儀器在開機后，在CPU的控制下掃描開關按規定的方向尋找基準位置。對于開關的任一檔位。可通過步進電機的步進值度／步及開關相鄰兩檔之間的角度，在基準位置的基礎上由CPU計算與控制實現定位。從而完成自動開關掃描功能。
2、高精度A／D轉換器高精度A／D轉換器是本儀器的關鍵部件。由高精度直流放大器7.1、有源低通濾波器7.2、電壓頻率轉換器7.3及控制閘門7.4組成。原理框圖見圖3。
3、基準電壓源圖4基準電壓源的任務是向A／D轉換器提供一個穩定的基準電壓。使CPU對A／D轉換器包括放大電路的測量及轉換誤差進行計算并加以修正。基本原理是使動態阻抗較低的基準穩壓二極管8.2通過恒流源8.1供電，進一步提高其電源抑制比，使電路具有更加理想的穩壓效果。然后將基準管的輸出電壓經分壓器8.3精確分壓產生所需的準電壓。
從動態的角度看，由于恒流源和穩壓管這兩種特性截然相反的器件所組成的串聯電路中，恒流源的動態電阻很高MΩ級。而基準穩壓二極的動態電阻卻很小，使得由于電源電壓變化而引起的穩壓電壓變化大大減小，即電源抑制比大大提高。
4、自由端溫測電路由一個線性集成溫度傳感器產生1uA／K的輸出電流。該電流經一個精密恒流電路吸收273.15uA。剩余的電流1uA／℃流經一個XΩ精密電阻，在此電阻上產生XuV／℃的線性電壓，作為自由端溫度測量的輸入信號。原理框圖見圖5。圖中10.1電子開關；測量自由端溫度時接通電源。平時斷開電源，避免溫度傳感器自熱效應而引起的誤差10.2集成溫度傳感器；10.3精密恒流源；10.4標準電阻；5、交流過零檢測電路及其控制原理工頻交流電壓經交流過零檢測電路。變換成與工頻交流電壓同步的脈沖信號送入CPU接口電路。在脈沖上沿期間由CPU經計算與判斷。決定電爐的通／斷。基本算法是根據所需輸出功率的大小在1024個交流半波期間允許P個半波功率送入負載。1024－P個半波被禁止，這樣送入被控單元的功率為滿功率的P／1024。
為了達到1‰的控溫精度輸出分辯率。一個控制周期應為交流過零脈沖周期的1000倍，考慮計算機運算方便。取1024個交流過零周期約10.24S作為一個控制周期。1024＝8×128故可將一個控制周期分為8個工作周期G＝8。每一個工作周期中有128個過零點，根據給定的功率參數PP＜400H在工作周期的開始計算出本工作周期SSR導通與阻斷的半波次數。
為了保證在1024個過零點中有P個半波導通，將P除以8的商作為每個工作周期中的觸發次數I，I＝P／8；如果除法運算后有余數D，則D必定小于8，可在前D個工作周期中分別將觸發次數加1，即在D個工作周期中觸發I＋1次。其余的G－D個工作周期中每個工作周期中觸發I次，這樣，一個控制周期中總的觸發次數為I＋1×D＋I×G－D＝I·G＋D＝P恰恰符合控制的要求。
軟件的PID及模糊控制主要任務是確定P的大小，根據這一方案。功率輸出可以細分到1／1024，適應了儀器在測量和控制方面的高精度要求。
開機后，儀器首先進行自診斷，確認各主要部件均正常工作后進入人機會話方式的參數輸入過程。參數輸入完成后，儀器已明確了自己的工作任務如檢定熱電偶，循環測量或單純進行溫度控制如果進行熱電偶檢定，則同時確定了被檢偶的類型。CPU發出一系列掃描開關控制指令，首先檢查掃描開關6的光電定位換檔是否準確無誤。若正常，開關轉換到自由端檔例如1＃檔，測量自由端溫度對于不使用熱電偶作一次儀表的場合，此時可測量室溫或另做它用，然后開關轉換到2＃檔。經適當延時，由CPU板1向A／D轉換器7送出開啟閘門的信號。A／D轉換器送出頻率與2＃輸入端子相應的脈沖到CPU板，經CPU的處理包括準確度修正與線性修正等得到實際的輸入電壓及相應的溫度。這些參數一方面作為各種控制的計算與判斷依據，另一方面可以從顯示器3顯示出來。由于儀器接入閉環控制系統時2＃開關外接的是電爐測溫的溫度傳感器如熱電偶。儀器根據測得的參數如溫度與自動或手動設置的參數經PID及模糊控制算法確定被控對象饋電的調節量，由SSR固態繼電器10對被控對象加以控制，當被控參數的指標即誤差與穩定性達到規定的要求后，儀器可循環測量1＃～8＃接線端子的輸入信號一次或多次，對多次循環測量。可取平均值作為測量結果。測量結果經預處理存入RAM中待處理。然后儀器自動進行下一個控制點的控制，重復上述過程。重復的點數可根據需要由鍵盤設定或固化到ROM中。各點任務全部完成后可進行最終數據的處理。開關的路數可視情況確定。
本實用新型的優點是測試檢定精度高、具有智能化儀表的功能，代替人工檢定可提高工作效率，該檢定儀造價低，利于普及，更換傳感器和控制元件可作用多路高精度數據采集或作為閉環自動控制系統的智能化高精度二次儀表。
本實用新型的實施例中1、低電勢掃描開關步進電機6.1用70BF2－3型；低電勢多點轉換開關6.2、電刷6.3使用敷銀銅片作為導電材料；光電耦合器6.5選用成品U形光電耦合器。
2、高精度A／D轉換器原理見圖6。
高精度低漂移運算放大器N1與R1、R2、R3構成直流放大電路。對來自低電勢開關的微弱信號加以放大；由N2、R4、R5、R6、C1、C2、C3組成的有源低通濾波器負責濾除直流電壓上疊加的交流干擾信號；信號經濾波及N3緩沖后送入電壓／頻率轉換器VFCN4，變換成相應的頻率信號。該信號輸出的允許／禁止由D1A構成的閘門控制。當D1A的1號輸入端為高電平時。脈沖方波通過D1A輸出；當D1A的1號輸入端為低電平時，輸出被禁止。N55的作用是將放大后濾波前的信號加以緩沖，分別加在作為比較器的N5B的正向輸入端和N5C的反向輸入端，N5B反向輸入端通過分壓器得到一固定電壓UP，N5C同向輸入端得到一負固定電壓Un。若從A／D轉換器輸入端來的電壓在正常范圍內。則保證Un＜Uo＜Up，則N6、N7均輸出高電平，經與非門D1B后輸出低電平，說明輸入電壓在正常范圍內；一旦輸入超量程，N5B輸出翻轉為低電平。D1B輸出高電平報警信號。若輸入極性接反。N5C輸出翻轉，D1B也輸出高電平報警信號；如果輸入端開路，輸入線上將感應出一定電平的工頻信號。此信號經N1、N5A、N5C或N5D亦能使D1B輸出報警電平可以是脈沖波形，總之在輸入偏超量程反接及開路的情況下。均能產生一個高電平報警信號，此信號由CPU檢測后。從顯示器上顯示“E”及不正常的端子號并發出報警聲響。
3、基準電壓源基準電壓源的基準穩壓二極管用LM199、LM299或LM399；恒流源選用4DH2精密分壓器由精度不低于005％的精密電阻串聯而成。
4、自由溫測電路線性集成溫度傳感器為AD590；精密恒流電路由4DH2經外部電阻調節，使其恒流電流達273·15μA，溫度系數為最小。精密電阻阻值可選1KΩ、精度0.1％；5、強電控制電路交流過零檢測電路由變壓一整流一箍位完成。見圖7，強電控制由固態繼電器G3N－220B擔任。
權利要求1.一種智能化熱工儀表檢定儀，包括由CPU板(1)、I/O接口(2)、顯示器(3)、打印機(4)、鍵盤(5)組成的微處理機，其特征是I/O接口(2)分別聯接有自由端溫測電路(10)、固態繼電器(11)、報警器(12)、交流過零檢測電路(13)、低電勢掃描開關(6)和高精度A/D轉換器(7)，低電勢掃描開關(6)分別與輸入端子(9)的端子對應聯接，有一基準電壓源(8)的電壓饋線與低電勢掃描開關(6)的接點相連接，低電勢掃描開關(6)與高精度A/D轉換器(7)構成模擬信號通路。
2.按照權利要求1所述的智能化熱工儀表檢定儀，其特征是自由端溫測電路(10)包括控制電源的電子開關10·1、集成溫度傳感器10·2、精密恒流源10·3和與精密恒流源并聯的標準電阻10·4構成，集成溫度傳感器10·2為AD590，精密電阻10·4為IKΩ精度0.1％。
3.按照權利要求1所述的智能化熱工儀表檢定儀，其特征是固態繼電器(11)為G3N－220B。
4.按照權利要求1所述的智能化熱工儀表檢定儀，其特征是交流過零檢測電路(13)由交流變壓、整流以及箍位幾部分電路組成。
5.按照權利要求1所述的智能化熱工儀表檢定儀，其特征是低電勢掃描開關(6)由與步進電機6·1同軸的低電勢多點轉換開關6·2、電刷6·3、遮光片6·4以及光電耦合器6·5所構成，步進電機6·1采用70BF－3型，光電耦合器6·5選用成品U型光電耦合。
6.按照權利要求1所述的智能化熱工儀表檢定儀，其特征是高精度A／D轉換器(7)由高精度直流放大器7·1有源低通濾波器7·2、電壓頻率轉換器7·3及控制閘門7·4搭成，采用運算放大器N1與R1、R2、R3構成高精度直流放大器7·1，由N2、R4、R5、R6、C1、C2 C3組成有源低通濾波器7·2，接一由N3構成的緩沖器后接由N4構成的電壓／頻率轉換器7·3，經由D1A組成的控制閘門7·4輸出。
7.按照權利要求1所述的智能化熱工儀表檢定儀，其特征是基準電壓源(8)由動態阻抗較低的基準穩壓二極管8·2通過恒流源8·1供電所產生。穩壓二極管用LM199、LM299或LM399、恒流源選用4DH2。
專利摘要本實用新型公開了一種熱工儀表檢定儀，屬儀器儀表技術領域。其特征是由一個微處理機的I/O接口2分別聯接有自由端溫測電路10、固態繼電器11、報警器12、交流過零檢測電路13、低電勢掃描開關6、高精度A/D轉換器所構成。解決了傳統的熱工儀表檢定儀成本高、不能自動控制測量等缺陷。具有智能化儀表的功能，自動完成對熱工儀表的檢定，也可以用于數據采集和閉環自動控制系統作為智能化高精度二次儀表使用。
文檔編號G01K15/00GK2154472SQ9221999
公開日1994年1月26日 申請日期1992年10月23日 優先權日1992年10月23日
發明者徐軍, 徐輝, 劉圣德 申請人:泰安智能儀器儀表廠