過(guò)程校驗儀校驗熱電阻輸入模塊誤差分析

摘要：針對某過(guò)程校驗儀校驗熱電阻信號輸入模塊時(shí)存在的溫度數據誤差率達8.45%的異?，F象,開(kāi)展實(shí)驗研究。將溫度測量轉換為電阻測量問(wèn)題,分別設計了應用過(guò)程校驗儀及精密電阻箱進(jìn)行校驗的實(shí)驗。實(shí)驗數據顯示,前者的電阻值測量數據平均誤差率為14.1%,后者誤差率僅為0.21%。然后通過(guò)數據分析,提出假設。實(shí)驗驗證了模塊電阻測量值與校驗儀輸出值的比等于兩者激勵電流之比的規律。兩者激勵電流不一致導致產(chǎn)生測量誤差;建議選用精密電阻箱校驗模塊，若使用校驗儀,需要確保與被校驗設備的激勵電流相等。
　　現代過(guò)程工業(yè)控制系統中各回路測量值的準確性對于控制系統的安全穩定運行至關(guān)重要,在現場(chǎng)儀表、控制器接口模塊可靠性及穩定性與現場(chǎng)儀表、控制器精度密切相關(guān)的情況下,如果儀表及控制:器模塊有較大的測量誤差，會(huì )引起工藝控制參數偏離實(shí)際值,從而引發(fā)安全生產(chǎn)事故。因此,為了確保生產(chǎn)的安全運行,需要對現場(chǎng)儀表、傳感器、變送器和控制系統的模擬量輸人輸出模塊進(jìn)行定期校驗和檢定,確保其準確性滿(mǎn)足精度要求。
　　在生產(chǎn)線(xiàn)投運后,現場(chǎng)儀表、控制器的位置基本都已經(jīng)固定,通常無(wú)法拆下帶回實(shí)驗室進(jìn)行校驗。一般使用便攜式過(guò)程校驗儀對過(guò)程控制系統儀表和系統各環(huán)節進(jìn)行校驗。便攜式過(guò)程校驗儀在功能_上與實(shí)驗室的大型過(guò)程校驗裝置類(lèi)似，但體積要小很多,基本與萬(wàn)用表相差無(wú)幾。其基本涵蓋過(guò)程控制回路所涉及的信號，如電壓、電流、頻率、電阻、熱電阻及熱電偶等信號的測量及模擬輸出,甚至有些校驗儀還能輸出精密的壓力值,實(shí)現對壓力變送器的現場(chǎng)校驗;或者輸出精密的溫度值，實(shí)現對溫度變送器的現場(chǎng)校驗15.6.6.。同時(shí),便攜式過(guò)程校驗儀的精度高,通常具有20位的分辨率,而常見(jiàn)的過(guò)程控制中控制器接口模塊一-般不超過(guò)16位，因此在絕大多數回路、設備、儀器儀表的校準過(guò)程中,它所檢測或輸出的信號是值得信賴(lài)的。
　　但若過(guò)程校驗儀輸出的物理量信號數值與待校驗設備實(shí)際測量數值存在較大誤差,則會(huì )對判斷設備的運行狀態(tài)產(chǎn)生干擾,造成待校準設備的誤判。輕則導致本來(lái)精確的設備拆下重新校準,產(chǎn)生不必要的工作量;重則導致正常設備被判廢,造成經(jīng)濟損失。為此,對過(guò)程校驗儀在工業(yè)應用中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行研究與分析,找出存在校驗誤差的原因，為正確應用過(guò)程校驗儀校驗過(guò)程回路提供技術(shù)支持。
1問(wèn)題的提出
1.1校驗原理
　　在現場(chǎng)應用中,模擬量模塊與熱電阻為四線(xiàn)制連接方式四,如圖1所示。
 
　　四線(xiàn)制連接的優(yōu)點(diǎn)是能夠消除導線(xiàn)電阻R的影響,同時(shí)消除導線(xiàn)間接觸電阻及阻值變化的影響,因此,多用于對溫度測量精度要求高的場(chǎng)合。每個(gè)熱電阻占用兩個(gè)通道(通道1、2),其中通道1的3、4號端子為熱電阻提供恒流源,通道2的7、8號端子測量熱電阻兩側的電壓，雖然連接熱電阻的4條導線(xiàn)均具有導線(xiàn)電阻R,但通道2測量電壓的7、8號端子之間是高阻態(tài)，導線(xiàn)電阻值可以忽略不計，因此測得的電壓即為熱電阻兩側的電壓,而通道1輸出的電流值是恒定的且已知,則熱電阻電阻值Rpt100，計算式為:
Rpt100=U/I(1)
式中I一通道1恒流源輸出的電流值,mA;
U一通道2測量的熱電阻兩端電壓值,mV。
　　某工業(yè)現場(chǎng)，應用過(guò)程校驗儀校驗PLC的模擬量輸人模塊的熱電阻信號，校驗裝置如圖2所示。其中，監控計算機中安裝有PLC編程及監控軟件，用來(lái)記錄熱電阻信號輸人通道的數值;電源模塊為PLC的CPU和熱電阻信號輸入模塊提供工作電源。應用過(guò)程校驗儀分別產(chǎn)生熱電阻校驗信號,輸出到模塊的輸人通道，再通過(guò)PLC的編程軟件在線(xiàn)監視模擬量通道的數值，與過(guò)程校驗儀的輸人信號數值比較,即可判定待校驗模塊是否準確。
 
1.2校驗方法
　　將過(guò)程校驗儀設定為熱電阻輸出狀態(tài),分別從量程的最低限--200℃開(kāi)始，每隔100℃輸出一個(gè)熱電阻信號,直到量程上限800℃為止。利用PLC編程軟件監控過(guò)程校驗儀所連接模擬量通道的數值,PLC編程軟件監控到的模擬量數值是所檢測溫度值的10倍,因此將監控值除以10即得到PLC模擬量通道所監視到的溫度值，將其與過(guò)程校驗儀顯示的溫度數據比較，若兩者接近,且在誤差允許范圍內,則說(shuō)明兩個(gè)問(wèn)題:
a.待校驗模塊的準確性較好;
b.過(guò)程校驗儀適用于該模塊的校驗。如果過(guò)程校驗儀數據與模塊測量數據存在較大的誤差,則說(shuō)明可能存在以下3種情況:
a.過(guò)程校驗儀自身有誤差、不準確,雖然可以用同類(lèi)過(guò)程校驗儀替換，再校驗確定是否屬于此類(lèi)故障,但由于過(guò)程校驗儀價(jià)格較高,工廠(chǎng)可能不會(huì )配置多臺同樣型號的儀器,此種操作的實(shí)用性不強;
b.待校驗模塊有誤差,不能滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)使用要求,需更換;
c.過(guò)程校驗儀與熱電阻信號輸人模塊之間存在兼容性問(wèn)題,不適用此種校驗場(chǎng)合。
1.3校驗數據
　　依據1.2節的校驗方法,分別記錄過(guò)程校驗儀顯示溫度、模擬量通道標準化溫度,得到溫度值及其誤差數據分布如圖3所示。
 
　　由圖3可見(jiàn)，模擬量通道標準化溫度總與過(guò)程.校驗儀顯示溫度有偏差,溫度偏差值隨著(zhù)模擬溫度的升高而變大。從-200℃起，溫度偏差逐漸增加,由-2.8℃上升至-176.2℃，整個(gè)量程范圍內的平均溫度偏差值為-84.51℃,占總量程的8.45%,該偏差遠大于控制系統工藝要求的0.5級精度，如果按照這一標準，得出的結論是PLC模擬量模塊誤差過(guò)大,應重新校準或判廢。但考慮到PLC模擬量模塊屬于價(jià)格昂貴的重要控制模塊,應慎重處理這--異常情況。按照式(1)計算四線(xiàn)制熱電阻的電阻值,再換算出溫度,推斷可能是模塊測量的電流或電壓不準,造成測量誤差異常,因此將熱電阻溫度測量轉換為電流、電壓、電阻等電參數做進(jìn)--步研究。
2過(guò)程校驗儀的電參數實(shí)驗研究
2.1電參數測量實(shí)驗研究裝置設計
　　為了測量過(guò)程校驗儀輸出熱電阻信號接人PLC熱電阻信號輸人模塊回路中的電壓和電流信號,采用兩只萬(wàn)用表進(jìn)行測量,將其中一只萬(wàn)用表設定為電流測量模式，串聯(lián)接人測量回路;將另外一只萬(wàn)用表設定為電壓測量模式,并聯(lián)接人測量回路。實(shí)驗裝置如圖4所示。
 
2.2實(shí)驗方法
　　將過(guò)程校驗儀設定為熱電阻(P1100)輸出狀態(tài),分別從量程的最低限-200℃開(kāi)始，每隔100℃,輸出一個(gè)熱電阻信號，直到量程上限800℃為止。用兩只萬(wàn)用表分別測量回路的電壓和電流，用于計算回路中的電阻值R_W將PLC的模擬量輸人模塊設定為四線(xiàn)制電阻值測量模式,通過(guò)PLC編程軟件監控過(guò)程校驗儀所連接模擬量模塊通道的數值,PLC編程軟件監控到的模擬量數值是所檢測的電阻值Rm;再查找PT100熱電阻的電阻值與溫度的對應關(guān)系14],作為標準電阻值Rs,計算R_W與Rs的誤差率δw。通過(guò)分析電壓、電流、電阻之間的關(guān)系,即可得出測量誤差產(chǎn)生的原因。
2.3實(shí)驗數據
　　依據2.2節的實(shí)驗方法,分別記錄過(guò)程校驗儀顯示溫度、電壓、電流以及Rm/Rs(表1),過(guò)程校驗儀顯示溫度、電阻值及誤差率曲線(xiàn)如圖5所示。
 
 
2.4數據分析
　　從圖5可以看出,過(guò)程校驗儀在設定溫度下,Rs與Rw基本重合,說(shuō)明二者阻值基本一致;Rm與Rs和Rw之間的差值隨著(zhù)校驗儀設定溫度的升高而增大。
結合表1、圖5分析可知:
a.過(guò)程校驗儀在設定溫度下,Rs與Rw數值接近,兩者的平均誤差率僅為1.01%,考慮到電壓、電流測量?jì)x表的誤差,可以證實(shí)過(guò)程校驗儀輸出電阻值信號如果依照電流、電壓關(guān)系換算,是正確無(wú)誤的。
b.過(guò)程校驗儀輸出電流基本為0.30mA,且保持不變，說(shuō)明過(guò)程校驗儀在輸出電阻信號時(shí)，采用恒流源模式,通過(guò)調節輸出電壓的方式產(chǎn)生相應的阻值。
c.Rm/Rs的平均值為0.859，誤差率為14.1%,各測量數據的均方誤差為0.9%,反映了Rm與Rs的比值是穩定的,屬于系統誤差。
　　過(guò)程校驗儀能夠通過(guò)維持線(xiàn)路電流值不變、調節輸出電壓的方法輸出電阻值,PLC的熱電阻信號輸人模塊也是依靠線(xiàn)路的電壓和電流換算電阻值的，兩者的工作原理并無(wú)差別,而且過(guò)程校驗儀輸出的電阻值與PLC模擬量模塊測量的電阻值存在均勻的系統誤差,因此假設過(guò)程校驗儀在輸出電阻的功能下，與PLC的模擬量輸人模塊存在由于某種原因導致的兼容性問(wèn)題,致使模擬量輸人模塊無(wú)法顯示正確數值。針對這一誤差，可以嘗試其他產(chǎn)生校驗所需電阻的方式,如.帶有溫度控制功能的標準熱電阻校驗裝置。但是其價(jià)格昂貴,多數企業(yè)尚未配置,可操作性不強。綜合經(jīng)濟性評價(jià),提出應用精密電阻箱產(chǎn)生標準電阻，直接連接PLC模擬量輸人模塊進(jìn)行模塊校驗。為了驗證這一假設正確與否,需要開(kāi)展進(jìn)一步研究。
3應用精密電阻箱的實(shí)驗研究
3.1實(shí)驗裝置設計
　　將精密電阻箱以四線(xiàn)制的方式連接到PLC模擬量輸人通道,為了研究測量回路中的電壓、電流信號與電阻值之間的關(guān)系，應用兩只萬(wàn)用表，將其中一只萬(wàn)用表設定為電流測量模式,串聯(lián)接人測量回路;再將另外一只萬(wàn)用表設定為電壓測量模式,并聯(lián)接人測量回路。實(shí)驗裝置如圖6所示。
 
3.2實(shí)驗方法
　　根據熱電阻阻值和溫度的對應關(guān)系,將精密電阻箱的電阻值分別調整成--200、-100、0℃...所對應的電阻值，逐一測量不同電阻值條件下電壓、電流、PLC模擬量通道監視值、標準化后的溫度數值,以分析精密電阻箱是否能夠用于模擬校驗PLC模擬量輸人模塊。
3.3實(shí)驗數據
　　依據3.2節的實(shí)驗方法，分別記錄模擬溫度值、電壓、電流(表2),應用精密電阻箱校驗測量的電阻值及其誤差率曲線(xiàn)如圖7所示;標準電阻R、模擬量通道監視數值模擬溫度值、標準化溫度值見(jiàn)表3，應用標準電阻箱校驗測量后變換的溫.度值及其誤差率曲線(xiàn)如圖8所示，
 
3.4數據分析
　　由表2、圖7可見(jiàn),應用精密電阻箱的標準電阻值Rs與通過(guò)測量電壓、電流方式計算得到的電阻值Rw基本重合,說(shuō)明兩者阻值基本一致,誤差率最大不超過(guò)0.25%,最小接近于0;由表3可見(jiàn)，通過(guò)應用標準電阻得到的標準溫度值與模擬溫度值做比較,PLC模擬量輸人模塊所測溫度值的平均誤差率僅為0.21%，小于0.5級儀表.的誤差范圍，考慮到電壓、電流測量?jì)x表的誤差，可以證實(shí)精密電阻箱適用于PLC模擬量輸人模塊的校驗。
 
 
 
　　由圖8可見(jiàn)，應用標準電阻箱校驗測量后的模擬溫度值與標準化溫度值兩條曲線(xiàn)基本重合,兩者溫度偏差最大值小于1.0℃,最小值高于-0.5,誤差率介于0.0%~0.5%之間,說(shuō)明經(jīng).過(guò)標準電阻箱校驗后的模擬溫度值與標準化溫.度值基本一致。
結合表3和圖8可見(jiàn):
a.PLC模擬量輸人模塊測量回路輸出的激勵電流均值為0.257mA。查閱PLC模擬量模塊技術(shù)手冊，該模塊在設定為Pt100熱電阻測量模式時(shí),向熱電阻輸出的激勵電流為穩定的0.25mA07.18.考慮到電流儀表的測量誤差,可以判斷出,與實(shí)驗測量的電流數據相比兩者基本相符。
b.根據電壓、電流計算得到的電阻值R,與精密電阻箱所調節的標準電阻值R_的平均誤差率為0.10%,在0.5級儀表的誤差范圍內,表明模擬量輸人模塊按照電壓和電流的關(guān)系計算出電阻值,然后換算出溫度測量值是可靠的。
4提出假設及求證
4.1提出假設
　　PLC模擬量輸人模塊是通過(guò)測量端子7、8處的電壓值,換算出熱電阻的電阻值,進(jìn)而獲取對應的溫度值。PLC模擬量輸人模塊直接連接精密電阻箱，由于電阻箱是一個(gè)純電阻組成的元件，回路中的電流全部來(lái)源于PLC模擬量輸出模塊的3..4號端子,PLC模擬量輸人模塊為電阻箱發(fā)送的電流為自身恒流電源數值,電壓為測量出的實(shí)際.值,因此,在該回路中，得到的電阻值是正確的。在表1中，過(guò)程校驗儀連接PLC模擬量輸人模塊，由于過(guò)程校驗儀的工作原理是以恒流源的形式輸出，通過(guò)調節自身輸出電壓值的方式,以電子電路為載體實(shí)現電阻信號的輸出。過(guò)程校驗儀輸出一個(gè)激勵電流,大小為0.30mA,輸出的電壓值是以該電流值為基準。但PLC模擬量輸人模塊在.換算電阻值時(shí),并不以過(guò)程校驗儀輸出的電流數值為基準，而是以自身模塊輸出的恒流源為基準,其值為0.25mA。
　　因此提出假設:若PLC模擬量輸人模塊在計算測量電阻值的過(guò)程中,以自身恒流源輸出的0.25mA激勵電流為準，而不受外部線(xiàn)路的影響,則當外部電路輸出的激勵電流不等于模擬量輸人模塊默認的0.25mA時(shí),會(huì )產(chǎn)生測量誤差。設PLC模擬量輸出模塊恒流源輸出的激勵電流為Im外部測量回路中過(guò)程校驗儀輸出的激勵電流為Ij,PLC測得的電阻與過(guò)程校驗儀輸出的電阻之間的比值K為:
 
　　在過(guò)程校驗儀輸出的恒流源數值為0.30mA,故計算得到K為0.833。
4.2實(shí)驗求證
　　利用過(guò)程校驗儀產(chǎn)生電阻信號,按照四線(xiàn)制的接法連接到PLC模擬量輸人模塊，實(shí)驗裝置與圖4相似，區別是將過(guò)程校驗儀設定為電阻輸出.模式，并將PLC模擬量輸入模塊設定為四線(xiàn)制電流測量模式。在Pt100熱電阻測溫范圍內,每隔500產(chǎn)生一個(gè)輸出電阻值，直到接近測溫上限800℃對應的電阻值，分別記錄PLC模擬量輸人通道監視的數值,再換算成電阻值，相關(guān)數據分布如圖9所示。
 
　　由圖9分析得出,Rw與Rs的比值均值為0.870,與4.1節中假設條件下得到的0.833相比，兩者之間的誤差率為4.25%。雖然兩者之間不完全相等,但誤差率小于5%，考慮到實(shí)驗儀器的精度和誤差,能夠驗證假設是正確的。
　　應用精密電阻箱產(chǎn)生電阻信號,按照四線(xiàn)制的接法連接到PLC模擬量輸入模塊，實(shí)驗裝置與圖6相似，區別是精密電阻箱采用的是等間隔電阻輸出模式,PLC模擬量輸人模塊設定為四線(xiàn)制電流測量模式。在Pt100熱電阻測溫范圍內,每隔50Ω產(chǎn)生一個(gè)輸出電阻值，直到接近測溫上限800℃對應的電阻值,分別記錄PLC模擬量輸人通.道監視數值,再換算成電阻值,得到誤差關(guān)系曲線(xiàn)如圖10所示。
 
　　由圖10可見(jiàn)，電阻箱阻值與計算電阻值的折線(xiàn)重合,說(shuō)明兩者阻值基本一致,并且根據兩者誤差率曲線(xiàn)可以看到，二者誤差率最大不超過(guò)0.12%。PLC模擬量輸人模塊測得的電阻數值與精密電阻箱輸出的電阻值平均誤差率為0.04%,小于0.5級儀表的誤差范圍,表明精密電阻箱適用于校驗PLC模擬量輸人模塊的電阻值信號。
5分析與討論
　　過(guò)程校驗儀輸出電阻信號時(shí),它的內部不是物理.上實(shí)際存在的電阻,而是通過(guò)電子電路“模擬”輸出的電阻,與真實(shí)的電阻不同。真實(shí)的電阻是物理上事實(shí)存在的元件,它的電阻值是由自身電阻率、長(cháng)度、截面積決定的,當PLC模擬量輸人模塊輸人電阻信號時(shí),如果校驗儀輸出的激勵電流與PLC模擬量模塊輸出的激勵電流不同時(shí)會(huì )產(chǎn)生誤差。
　　精密電阻箱是真實(shí)的物理電阻,它不是依靠電子電路模擬，回路中的電流完全來(lái)源于PLC模擬量輸人模塊，它用于校驗PLC模擬量輸人模塊.時(shí)不會(huì )產(chǎn)生測量誤差。
6結束語(yǔ)
　　過(guò)程校驗儀能夠實(shí)現電壓、電流、頻率、電阻、熱電阻及熱電偶等信號的現場(chǎng)校驗,是工業(yè)自動(dòng)化工程師調試、故障診斷的必備工具,具有較高的精度和準確性。但校驗儀輸出的電阻并不是真實(shí)的電阻,而是通過(guò)恒流源輸出,改變端口的輸出電壓,從而模擬一個(gè)虛擬的電阻。而可編程邏輯控制器的模擬量輸入模塊,在用作熱電阻輸人、電阻信號輸人功能時(shí),也會(huì )輸出一個(gè)恒定的電流值。當兩者電流數值不--致時(shí),會(huì )產(chǎn)生計量誤差。如果應用過(guò)程校驗儀的熱電阻、電阻校驗功能,則需要注意其激勵電流與被校驗設備的激勵電流是否一致,以免造成校驗誤差。但是這一點(diǎn)在工程實(shí)施上頗有難度,因為過(guò)程校驗儀和熱電阻信號輸人模塊的激勵電流屬于高級別的參數,在儀表操作中很少接觸,因此較難獲取這一數據;另外,過(guò)程校驗儀在輸出不同電阻值的區間時(shí),其激勵電流又有所不同,這給準確掌握激勵電流數值帶來(lái)了較大的不確定因素。精密電阻箱是真實(shí)物理存在的電阻,它并不會(huì )產(chǎn)生激勵電流,在測量時(shí),流過(guò)的電流與現場(chǎng)儀表一致,能夠保證測量的準確性。因此,在校驗熱電阻輸人信號模塊時(shí),使用精密電阻箱更為可靠。