过程校验仪校验热电阻输入模块误差分析

摘要：针对某过程校验仪校验热电阻信号输入模块时存在的温度数据误差率达8.45%的异常现象,开展实验研究。将温度测量转换为电阻测量问题,分别设计了应用过程校验仪及精密电阻箱进行校验的实验。实验数据显示,前者的电阻值测量数据平均误差率为14.1%,后者误差率仅为0.21%。然后通过数据分析,提出假设。实验验证了模块电阻测量值与校验仪输出值的比等于两者激励电流之比的规律。两者激励电流不一致导致产生测量误差;建议选用精密电阻箱校验模块，若使用校验仪,需要确保与被校验设备的激励电流相等。
　　现代过程工业控制系统中各回路测量值的准确性对于控制系统的安全稳定运行至关重要,在现场仪表、控制器接口模块可靠性及稳定性与现场仪表、控制器精度密切相关的情况下,如果仪表及控制:器模块有较大的测量误差，会引起工艺控制参数偏离实际值,从而引发安全生产事故。因此,为了确保生产的安全运行,需要对现场仪表、传感器、变送器和控制系统的模拟量输人输出模块进行定期校验和检定,确保其准确性满足精度要求。
　　在生产线投运后,现场仪表、控制器的位置基本都已经固定,通常无法拆下带回实验室进行校验。一般使用便携式过程校验仪对过程控制系统仪表和系统各环节进行校验。便携式过程校验仪在功能_上与实验室的大型过程校验装置类似，但体积要小很多,基本与万用表相差无几。其基本涵盖过程控制回路所涉及的信号，如电压、电流、频率、电阻、热电阻及热电偶等信号的测量及模拟输出,甚至有些校验仪还能输出精密的压力值,实现对压力变送器的现场校验;或者输出精密的温度值，实现对温度变送器的现场校验15.6.6.。同时,便携式过程校验仪的精度高,通常具有20位的分辨率,而常见的过程控制中控制器接口模块一-般不超过16位，因此在绝大多数回路、设备、仪器仪表的校准过程中,它所检测或输出的信号是值得信赖的。
　　但若过程校验仪输出的物理量信号数值与待校验设备实际测量数值存在较大误差,则会对判断设备的运行状态产生干扰,造成待校准设备的误判。轻则导致本来精确的设备拆下重新校准,产生不必要的工作量;重则导致正常设备被判废,造成经济损失。为此,对过程校验仪在工业应用中产生的误差进行研究与分析,找出存在校验误差的原因，为正确应用过程校验仪校验过程回路提供技术支持。
1问题的提出
1.1校验原理
　　在现场应用中,模拟量模块与热电阻为四线制连接方式四,如图1所示。
 
　　四线制连接的优点是能够消除导线电阻R的影响,同时消除导线间接触电阻及阻值变化的影响,因此,多用于对温度测量精度要求高的场合。每个热电阻占用两个通道(通道1、2),其中通道1的3、4号端子为热电阻提供恒流源,通道2的7、8号端子测量热电阻两侧的电压，虽然连接热电阻的4条导线均具有导线电阻R,但通道2测量电压的7、8号端子之间是高阻态，导线电阻值可以忽略不计，因此测得的电压即为热电阻两侧的电压,而通道1输出的电流值是恒定的且已知,则热电阻电阻值Rpt100，计算式为:
Rpt100=U/I(1)
式中I一通道1恒流源输出的电流值,mA;
U一通道2测量的热电阻两端电压值,mV。
　　某工业现场，应用过程校验仪校验PLC的模拟量输人模块的热电阻信号，校验装置如图2所示。其中，监控计算机中安装有PLC编程及监控软件，用来记录热电阻信号输人通道的数值;电源模块为PLC的CPU和热电阻信号输入模块提供工作电源。应用过程校验仪分别产生热电阻校验信号,输出到模块的输人通道，再通过PLC的编程软件在线监视模拟量通道的数值，与过程校验仪的输人信号数值比较,即可判定待校验模块是否准确。
 
1.2校验方法
　　将过程校验仪设定为热电阻输出状态,分别从量程的最低限--200℃开始，每隔100℃输出一个热电阻信号,直到量程上限800℃为止。利用PLC编程软件监控过程校验仪所连接模拟量通道的数值,PLC编程软件监控到的模拟量数值是所检测温度值的10倍,因此将监控值除以10即得到PLC模拟量通道所监视到的温度值，将其与过程校验仪显示的温度数据比较，若两者接近,且在误差允许范围内,则说明两个问题:
a.待校验模块的准确性较好;
b.过程校验仪适用于该模块的校验。如果过程校验仪数据与模块测量数据存在较大的误差,则说明可能存在以下3种情况:
a.过程校验仪自身有误差、不准确,虽然可以用同类过程校验仪替换，再校验确定是否属于此类故障,但由于过程校验仪价格较高,工厂可能不会配置多台同样型号的仪器,此种操作的实用性不强;
b.待校验模块有误差,不能满足工业现场使用要求,需更换;
c.过程校验仪与热电阻信号输人模块之间存在兼容性问题,不适用此种校验场合。
1.3校验数据
　　依据1.2节的校验方法,分别记录过程校验仪显示温度、模拟量通道标准化温度,得到温度值及其误差数据分布如图3所示。
 
　　由图3可见，模拟量通道标准化温度总与过程.校验仪显示温度有偏差,温度偏差值随着模拟温度的升高而变大。从-200℃起，温度偏差逐渐增加,由-2.8℃上升至-176.2℃，整个量程范围内的平均温度偏差值为-84.51℃,占总量程的8.45%,该偏差远大于控制系统工艺要求的0.5级精度，如果按照这一标准，得出的结论是PLC模拟量模块误差过大,应重新校准或判废。但考虑到PLC模拟量模块属于价格昂贵的重要控制模块,应慎重处理这--异常情况。按照式(1)计算四线制热电阻的电阻值,再换算出温度,推断可能是模块测量的电流或电压不准,造成测量误差异常,因此将热电阻温度测量转换为电流、电压、电阻等电参数做进--步研究。
2过程校验仪的电参数实验研究
2.1电参数测量实验研究装置设计
　　为了测量过程校验仪输出热电阻信号接人PLC热电阻信号输人模块回路中的电压和电流信号,采用两只万用表进行测量,将其中一只万用表设定为电流测量模式，串联接人测量回路;将另外一只万用表设定为电压测量模式,并联接人测量回路。实验装置如图4所示。
 
2.2实验方法
　　将过程校验仪设定为热电阻(P1100)输出状态,分别从量程的最低限-200℃开始，每隔100℃,输出一个热电阻信号，直到量程上限800℃为止。用两只万用表分别测量回路的电压和电流，用于计算回路中的电阻值R_W将PLC的模拟量输人模块设定为四线制电阻值测量模式,通过PLC编程软件监控过程校验仪所连接模拟量模块通道的数值,PLC编程软件监控到的模拟量数值是所检测的电阻值Rm;再查找PT100热电阻的电阻值与温度的对应关系14],作为标准电阻值Rs,计算R_W与Rs的误差率δw。通过分析电压、电流、电阻之间的关系,即可得出测量误差产生的原因。
2.3实验数据
　　依据2.2节的实验方法,分别记录过程校验仪显示温度、电压、电流以及Rm/Rs(表1),过程校验仪显示温度、电阻值及误差率曲线如图5所示。
 
 
2.4数据分析
　　从图5可以看出,过程校验仪在设定温度下,Rs与Rw基本重合,说明二者阻值基本一致;Rm与Rs和Rw之间的差值随着校验仪设定温度的升高而增大。
结合表1、图5分析可知:
a.过程校验仪在设定温度下,Rs与Rw数值接近,两者的平均误差率仅为1.01%,考虑到电压、电流测量仪表的误差,可以证实过程校验仪输出电阻值信号如果依照电流、电压关系换算,是正确无误的。
b.过程校验仪输出电流基本为0.30mA,且保持不变，说明过程校验仪在输出电阻信号时，采用恒流源模式,通过调节输出电压的方式产生相应的阻值。
c.Rm/Rs的平均值为0.859，误差率为14.1%,各测量数据的均方误差为0.9%,反映了Rm与Rs的比值是稳定的,属于系统误差。
　　过程校验仪能够通过维持线路电流值不变、调节输出电压的方法输出电阻值,PLC的热电阻信号输人模块也是依靠线路的电压和电流换算电阻值的，两者的工作原理并无差别,而且过程校验仪输出的电阻值与PLC模拟量模块测量的电阻值存在均匀的系统误差,因此假设过程校验仪在输出电阻的功能下，与PLC的模拟量输人模块存在由于某种原因导致的兼容性问题,致使模拟量输人模块无法显示正确数值。针对这一误差，可以尝试其他产生校验所需电阻的方式,如.带有温度控制功能的标准热电阻校验装置。但是其价格昂贵,多数企业尚未配置,可操作性不强。综合经济性评价,提出应用精密电阻箱产生标准电阻，直接连接PLC模拟量输人模块进行模块校验。为了验证这一假设正确与否,需要开展进一步研究。
3应用精密电阻箱的实验研究
3.1实验装置设计
　　将精密电阻箱以四线制的方式连接到PLC模拟量输人通道,为了研究测量回路中的电压、电流信号与电阻值之间的关系，应用两只万用表，将其中一只万用表设定为电流测量模式,串联接人测量回路;再将另外一只万用表设定为电压测量模式,并联接人测量回路。实验装置如图6所示。
 
3.2实验方法
　　根据热电阻阻值和温度的对应关系,将精密电阻箱的电阻值分别调整成--200、-100、0℃...所对应的电阻值，逐一测量不同电阻值条件下电压、电流、PLC模拟量通道监视值、标准化后的温度数值,以分析精密电阻箱是否能够用于模拟校验PLC模拟量输人模块。
3.3实验数据
　　依据3.2节的实验方法，分别记录模拟温度值、电压、电流(表2),应用精密电阻箱校验测量的电阻值及其误差率曲线如图7所示;标准电阻R、模拟量通道监视数值模拟温度值、标准化温度值见表3，应用标准电阻箱校验测量后变换的温.度值及其误差率曲线如图8所示，
 
3.4数据分析
　　由表2、图7可见,应用精密电阻箱的标准电阻值Rs与通过测量电压、电流方式计算得到的电阻值Rw基本重合,说明两者阻值基本一致,误差率最大不超过0.25%,最小接近于0;由表3可见，通过应用标准电阻得到的标准温度值与模拟温度值做比较,PLC模拟量输人模块所测温度值的平均误差率仅为0.21%，小于0.5级仪表.的误差范围，考虑到电压、电流测量仪表的误差，可以证实精密电阻箱适用于PLC模拟量输人模块的校验。
 
 
 
　　由图8可见，应用标准电阻箱校验测量后的模拟温度值与标准化温度值两条曲线基本重合,两者温度偏差最大值小于1.0℃,最小值高于-0.5,误差率介于0.0%~0.5%之间,说明经.过标准电阻箱校验后的模拟温度值与标准化温.度值基本一致。
结合表3和图8可见:
a.PLC模拟量输人模块测量回路输出的激励电流均值为0.257mA。查阅PLC模拟量模块技术手册，该模块在设定为Pt100热电阻测量模式时,向热电阻输出的激励电流为稳定的0.25mA07.18.考虑到电流仪表的测量误差,可以判断出,与实验测量的电流数据相比两者基本相符。
b.根据电压、电流计算得到的电阻值R,与精密电阻箱所调节的标准电阻值R_的平均误差率为0.10%,在0.5级仪表的误差范围内,表明模拟量输人模块按照电压和电流的关系计算出电阻值,然后换算出温度测量值是可靠的。
4提出假设及求证
4.1提出假设
　　PLC模拟量输人模块是通过测量端子7、8处的电压值,换算出热电阻的电阻值,进而获取对应的温度值。PLC模拟量输人模块直接连接精密电阻箱，由于电阻箱是一个纯电阻组成的元件，回路中的电流全部来源于PLC模拟量输出模块的3..4号端子,PLC模拟量输人模块为电阻箱发送的电流为自身恒流电源数值,电压为测量出的实际.值,因此,在该回路中，得到的电阻值是正确的。在表1中，过程校验仪连接PLC模拟量输人模块，由于过程校验仪的工作原理是以恒流源的形式输出，通过调节自身输出电压值的方式,以电子电路为载体实现电阻信号的输出。过程校验仪输出一个激励电流,大小为0.30mA,输出的电压值是以该电流值为基准。但PLC模拟量输人模块在.换算电阻值时,并不以过程校验仪输出的电流数值为基准，而是以自身模块输出的恒流源为基准,其值为0.25mA。
　　因此提出假设:若PLC模拟量输人模块在计算测量电阻值的过程中,以自身恒流源输出的0.25mA激励电流为准，而不受外部线路的影响,则当外部电路输出的激励电流不等于模拟量输人模块默认的0.25mA时,会产生测量误差。设PLC模拟量输出模块恒流源输出的激励电流为Im外部测量回路中过程校验仪输出的激励电流为Ij,PLC测得的电阻与过程校验仪输出的电阻之间的比值K为:
 
　　在过程校验仪输出的恒流源数值为0.30mA,故计算得到K为0.833。
4.2实验求证
　　利用过程校验仪产生电阻信号,按照四线制的接法连接到PLC模拟量输人模块，实验装置与图4相似，区别是将过程校验仪设定为电阻输出.模式，并将PLC模拟量输入模块设定为四线制电流测量模式。在Pt100热电阻测温范围内,每隔500产生一个输出电阻值，直到接近测温上限800℃对应的电阻值，分别记录PLC模拟量输人通道监视的数值,再换算成电阻值，相关数据分布如图9所示。
 
　　由图9分析得出,Rw与Rs的比值均值为0.870,与4.1节中假设条件下得到的0.833相比，两者之间的误差率为4.25%。虽然两者之间不完全相等,但误差率小于5%，考虑到实验仪器的精度和误差,能够验证假设是正确的。
　　应用精密电阻箱产生电阻信号,按照四线制的接法连接到PLC模拟量输入模块，实验装置与图6相似，区别是精密电阻箱采用的是等间隔电阻输出模式,PLC模拟量输人模块设定为四线制电流测量模式。在Pt100热电阻测温范围内,每隔50Ω产生一个输出电阻值，直到接近测温上限800℃对应的电阻值,分别记录PLC模拟量输人通.道监视数值,再换算成电阻值,得到误差关系曲线如图10所示。
 
　　由图10可见，电阻箱阻值与计算电阻值的折线重合,说明两者阻值基本一致,并且根据两者误差率曲线可以看到，二者误差率最大不超过0.12%。PLC模拟量输人模块测得的电阻数值与精密电阻箱输出的电阻值平均误差率为0.04%,小于0.5级仪表的误差范围,表明精密电阻箱适用于校验PLC模拟量输人模块的电阻值信号。
5分析与讨论
　　过程校验仪输出电阻信号时,它的内部不是物理.上实际存在的电阻,而是通过电子电路“模拟”输出的电阻,与真实的电阻不同。真实的电阻是物理上事实存在的元件,它的电阻值是由自身电阻率、长度、截面积决定的,当PLC模拟量输人模块输人电阻信号时,如果校验仪输出的激励电流与PLC模拟量模块输出的激励电流不同时会产生误差。
　　精密电阻箱是真实的物理电阻,它不是依靠电子电路模拟，回路中的电流完全来源于PLC模拟量输人模块，它用于校验PLC模拟量输人模块.时不会产生测量误差。
6结束语
　　过程校验仪能够实现电压、电流、频率、电阻、热电阻及热电偶等信号的现场校验,是工业自动化工程师调试、故障诊断的必备工具,具有较高的精度和准确性。但校验仪输出的电阻并不是真实的电阻,而是通过恒流源输出,改变端口的输出电压,从而模拟一个虚拟的电阻。而可编程逻辑控制器的模拟量输入模块,在用作热电阻输人、电阻信号输人功能时,也会输出一个恒定的电流值。当两者电流数值不--致时,会产生计量误差。如果应用过程校验仪的热电阻、电阻校验功能,则需要注意其激励电流与被校验设备的激励电流是否一致,以免造成校验误差。但是这一点在工程实施上颇有难度,因为过程校验仪和热电阻信号输人模块的激励电流属于高级别的参数,在仪表操作中很少接触,因此较难获取这一数据;另外,过程校验仪在输出不同电阻值的区间时,其激励电流又有所不同,这给准确掌握激励电流数值带来了较大的不确定因素。精密电阻箱是真实物理存在的电阻,它并不会产生激励电流,在测量时,流过的电流与现场仪表一致,能够保证测量的准确性。因此,在校验热电阻输人信号模块时,使用精密电阻箱更为可靠。