便携式热工仪表检定仪的设计原理及示值误差检定方法

便携式热工仪表检定仪(以下简称“检定仪”)是我们研制开发的一种新型的热工仪表检定装置。该产品采用大规模集成电路、数字显示技术，把标准电压(毫伏)发生器、调节、显示组成一体，具有操作简便、读数准确、重量轻、体积小等优点。改变了以往对二次热工仪表检定所采用的逐盘转动直流电位差计进行平衡读数的传统方法，提高了检定效率。另外，设有电势正负转换开关，为电子电位差计等具有温度补偿的热工仪表的零位检定与修理提供了方便。

一、设计原理

1.检定仪的基本构成

该仪器采用大规模集成电路7135，它是一种双积分式转换器，配以译码器、数码显示器、驱动器及电阻、电容等元件，可组成满量程为2V的数字电压表，再配以高精度的运算放大器、毫伏信号发生器、双稳触发器、继电器等，就可构成自动转换量程的热工仪表检定仪。原理如图1所示。

2.双积分式A/D转换器工作原理

双积分式A/D转换器通过二次积分，将被测电压变成一个时间间隔，其持续时间与被测电压的平均值成正比。如果用计数器测量此时间间隔，就可在显示器上直接读出被测电压的平均值。原理如图2所示。

输入被测电压UX经输入电路作用到电子开关，控制器将电子开关接到UX端，以UX作用到积分器，先对UX积分，这个过程称为采样阶段。由于逻辑控制电路发出采样指令的作用，使采样时间T1是固定值，同时，控制器使门开启，时钟脉冲通入计数器，使计数器对时钟脉冲进行计数。当计数器计满时，输出溢出脉冲作用到控制器，然后对标准电压UR进行反向积分。当积分器输出为零电平时，检零比较器输出信号作用到控制器，使门关闭，这时计数器所计时钟脉冲就是被测电压的数字量。对UR的积分过程称为比较阶段，比较时间为T2。工作波形如图3所示。

设积分器从零电平开始对UX积分，积分器输出为

式中:——UX在T1时间内的平均值。

经过一个固定时间T1后，计数器达到其满量限N1值，采样周期结束，积分器由U01开始，对UR反面积分，直到输出为零时停止，这时积分器输出为:

由于UR为常数，因此

将式(1)代入式(3)得

所以

由式(5)可见T2与UX成正比。

设时钟脉冲频率为f0，则

(N1、N2为脉冲数) (7)

将式(6)、式(7)代入式(5)则有:

考虑工频为50Hz，通常取T1=20ms或它的整数倍，f0是固定的钟频，所以N1为一个常数。基准电压UR也为一个恒定量，因而只要知道计数器在比较阶段所计脉冲数N2，就可以准确地得到被测电压UX的平均值。

因为是对平均值测量而不是对瞬时值进行测量，可将对称的串模干扰平均抵消掉，所以抗干扰能力很强。只要积分采样时间T1为干扰信号周期的整数倍，就有极高的串模抑制比。这种原理的数字电压表准确度高，稳定性好，其主要原因是UX和UR共用一个积分器及钟频，式(8)中不存在积分元件R和C变化的影响，降低了对积分器的要求。此外，测量比较时间T2的标准脉冲不需要长时间的稳定性。因为经V/T变换后的时间T2正比于T1，若T1有变化，T2也随之变化，只要两者变化速率相同，则对测量结果不产生误差。

为了解决该仪器的稳定性和末尾数跳字的问题，采用了高质量的积分电容，准确度高的电阻。变压器的初、次级进行有效地屏蔽和可靠的分离，在信号的输入端加上RC滤波器、采用带有静电屏蔽的仪器外壳对整个电子线路部分进行有效屏蔽等。这些都可靠保证了该仪器的测量准确度和稳定性。

二、主要技术数据

1.量程

(1)量程1:(-3.000～19.999)mV；

(2)量程2:(18.00～199.99)mV；

量程自动转换。

2.准确度

本检定仪在通电预热调零后，在温度(20±5)℃范围内不低于下述规定:

(1)量程1:±(0.05%摇读数+5个字) (9)

(2)量程2:±(0.05%摇读数+2个字) (10)

三、使用中需要说明的几个问题

1.显示位数

我们来看一下“检定仪”的显示位数问题，当使用1量程时，即(-3.000～19.999)mV，小数点后有3位显示，不成问题。当使用2量程时，即(18.00～199.99)mV，小数点后有两位显示，分辨力为0.01mV。假设有一个0.5级(0～500)℃K分的被检表，经查表得:E500=20.650mV，此表允许误差=0.5%×20.650=0.10325mV≈0.10mV。由此可看出小数点后两位已达到检定要求，即使能读出小数点后3位也是无意义的。

2.设定外接电阻

该“检定仪”设定了3个外接电阻，分别为0Ω、5Ω、15Ω，在检定时一定要按照被检表要求选择相应阻值，若被检表要求的外接电阻值“检定仪”没有配备，应在外线路上串接所需阻值再进行检定，否则会带来人为误差。特别是当检定一个表发现误差很大需要修理时，更应考虑是否因人为的疏忽或检定方法不当造成的。

3.误差补偿

“检定仪”在周期检定时，若基本误差不符合要求，可按以下步骤对其进行调试。

(1)先调整量程1:调整A/D转换片7135的基准电压电位器R1，直到显示值符合要求。如图4所示。

定运算放大器放大倍数为K，7135显示数为:

若实际放大倍数(K″为附加倍率)

这时

我们可调整UR为，使

则

即为我们所设定要求。

(2)在调整好量程1的基础上，再对量程2进行调整，调整运算放大器反馈电位器R4直到显示值符合准确度要求。

四、示值误差检定方法

由于检定仪在原理上属于电子式仪表，是一种特殊类型的直流数字电压表，所以在检定时应该按照直流数字电压表的检定规程进行。

直流数字电压表的误差检定方法从原理上一般可归纳为直流标准电压发生器法、直流比较法、直流标准仪器法3种。

具体采用哪一种方法，可根据所具有的标准设备和被检仪器的级别选择一种最合适、最经济可靠而又简便的方法。

根据该检定仪的设计原理及准确度(0.05级)，我们选择用直流电位差计做标准的检定方法(直流标准仪器法)。该方法是用直流电位差计(UJ51)和被检检定仪测量同一电压，以直流电位差计的读数为实际值求出被检检定仪的示值误差。由于检定仪输入电阻很高，用直流电位差计可直接检定检定仪，此时可把直流电位差计作为一个直流标准电压源，从其未知电压端(即X端)输出标准电压信号给被检检定仪。如图5所示。

当直流电位差计输出一个标准电压UN(用其读数盘读数)，被检检定仪显示读数UX，检定仪的基本误差按照检定规程应表示为

Δ=±(a%UX+b%Um) (11)

式中:UX——检定仪显示值；Um——检定仪满刻度值；a——检定仪准确度级别；b——与满刻度值有关的误差系数。

检定仪允许误差应小于等于式(8)、式(9)。

在检定时应注意以下几个问题:

1.应使用0.01及以上级准确度低电势直流电位差计(满足计量标准装置综合误差小于被检检定仪允许误差的1/5)。以便检定仪最大量程的测量上限不高于所用直流电位差计的测量上限，并保证直流电位差计在第一个十进盘有大于零的示值。其测量盘的最小步进值应小于检定仪的灵敏度，以保证检定的准确度。

2.检定前先进行预热调零。操作步骤如下:“检定仪”外接电阻开关于“0Ω”挡，仪表、热偶开关处于“热偶”位置，并将接线端“+”、“-”短路，通电预热一小时后进行调零，然后去掉短路线，接上直流电位差计进行。若检定时直流电位差计量程不满足，可使用两个标准电池串联使用二倍直流电位差计工作电压来扩展量程进行检定。

3.检定时若直流电位差计检流计灵敏度不够，可加放大器以提高检流计灵敏度。

4.检定设备应有良好的屏蔽、接地措施，避免串模、共模干扰，以消除泄漏电流的影响。

5.检定点在各量程均匀选取10点进行，上升下降各测量一次。