繼電器矩陣開關(guān)在過程儀表校準中的應(yīng)用和影響

/ 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

隨著信息化和人工智能時代的來臨，可編程設(shè)備和儀器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于計量行業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)中[1]。由可編程設(shè)備配合相應(yīng)的軟件和外設(shè)裝置帶來的自動計量技術(shù)憑借速度快、精度高、操作簡單等特點成為計量檢測和校準的重要手段[2]，可以極大地提高日常校準工作的效率。

經(jīng)過多年發(fā)展和研究，國內(nèi)外已經(jīng)有比較成熟的、針對數(shù)字多用表和多功能校準源的自動校準解決方案[3][4][5]。而目前的過程儀表自動校準方案[6][7]僅可以實現(xiàn)某一功能下的自動校準，仍然需要人工干預(yù)進行接線。于是，在這些方案的基礎(chǔ)上引入矩陣開關(guān)模塊可以解決人工接線的問題，進一步提高自動化程度。

1 矩陣開關(guān)的應(yīng)用

以某品牌某常用型號的過程儀表的校準為例，其儀器面板上有6個接線柱，根據(jù)不同組合對應(yīng)直流電壓測量和輸出、直流電流測量和輸出、電阻測量和輸出、模擬鉑電阻信號測量和輸出等功能，組合較多。按照原有方案，每次切換功能或量程都需要人工進行導(dǎo)線插拔，費時費力。

而作為標準器的標準源和數(shù)字多用表共有7個接線柱參與整個校準過程，按照兩兩配對，有近10種接線組合。所以，這里將接線柱分為被校儀器組和標準器組，通過應(yīng)用6×8的矩陣開關(guān)實現(xiàn)任意行和任意列接線柱的導(dǎo)通。只需控制矩陣開關(guān)中的繼電器的通斷就可以實現(xiàn)校準過程中的接線切換，示意圖如圖1所示。

圖1 繼電器矩陣開關(guān)示意圖

2 矩陣開關(guān)繼電器的選擇

繼電器的性能不僅決定了矩陣開關(guān)的可靠性和反應(yīng)速度，還決定了校準方案的校準能力以及校準質(zhì)量。由于校準電路中增加了繼電器，總線阻必定增大，而繼電器性能也對整個系統(tǒng)的校準能力產(chǎn)生了限制。此外，觸點開關(guān)的通斷產(chǎn)生的干擾帶來的元器件安全性也需要考慮。在繼電器的選擇中，比較重要的指標和其影響如表1所示。

表1 繼電器重要指標和其作用

3 矩陣開關(guān)對校準的影響

在標準環(huán)境（溫度23 ℃±5 ℃，濕度50%RH±5%RH）的實驗室中，以某過程儀表的典型功能為例，探討矩陣開關(guān)對校準方案的影響。由于以日常校準工作為原型，所以每次繼電器工作時間一般不超過 8 h。

3.1 對直流電壓的影響

在對某過程儀表直流電壓輸出功能的校準過程中，在其導(dǎo)線中引入繼電器開關(guān)，在同一校準點記錄下標準數(shù)字多用表的示值，并在8 h后再進行一次同樣的校準。分別計算繼電器引入產(chǎn)生的示值變化（引入繼電器后的標準表示值相對于原示值的變化），以及時間和溫度因素產(chǎn)生的示值變化（第8 h的示值相對于第1 h示值的變化），如圖2所示。

圖2 矩陣開關(guān)對直流電壓的影響

3.2 對直流電流的影響

在對某過程儀表直流電流輸出功能的校準過程中，在其導(dǎo)線中引入繼電器開關(guān)，在同一校準點記錄下標準數(shù)字多用表的示值，并在8 h后再進行一次同樣的校準。按3.1的方法計算相應(yīng)的示值變化，如圖3所示。

圖3 矩陣開關(guān)對直流電流的影響

3.3 對電阻的影響

在對某過程儀表電阻（二線制）測量功能的校準過程中，在其導(dǎo)線中引入繼電器開關(guān)，在同一校準點記錄下被校儀器示值，并在8 h后再進行一次同樣的校準。按3.1的方法計算相應(yīng)的示值變化，如圖4所示。

圖4 矩陣開關(guān)對電阻的影響

3.4 對頻率信號的影響

在對某過程儀表頻率輸出功能的校準過程中，在其導(dǎo)線中引入繼電器開關(guān)，在同一校準點記錄下標準數(shù)字多用表的示值，并在8 h后再進行一次同樣的校準。按3.1的方法計算相應(yīng)的示值變化，如圖5所示。

圖5 矩陣開關(guān)對頻率的影響

4 試驗結(jié)果分析

從圖2、圖3、圖5中可以看出，對于常見的直流電壓、直流電流和頻率信號，繼電器的引入會增加計量結(jié)果的示值誤差，且隨著指示值的增大，誤差增加值顯著減小，即影響顯著減小。然而，在輸出小電壓、小電流時，誤差增加近0.1%，需要對其進行修正。對于其他校準點，通電時間以及元器件溫升引起的繼電器性能漂移，對最終計量結(jié)果產(chǎn)生的影響小于0.006%。對同一校準點的標準表示值進行10次記錄后，發(fā)現(xiàn)其誤差增加的絕對值基本保持一致，變化不大。所以，對于這三種信號，矩陣開關(guān)的引入會增加校準不確定度，在校準點數(shù)值較大時校準結(jié)果仍然符合要求，不需要對其進行修正。而在校準點數(shù)值較小時，需通過軟件為其增加偏置值進行修正。

從圖4可以看出，矩陣開關(guān)中，繼電器的觸點電阻會顯著增加整體電路的線阻。通常情況下，觸點電阻阻值較小，所以在小電阻的情況下，其對計量結(jié)果的影響較為明顯，示值誤差增加值可達8%。而在1 000 Ω以上的計量校準中，該影響可以忽略不計。在該情況下，通電時間以及元器件溫升引起的繼電器性能漂移，對最終計量結(jié)果產(chǎn)生的影響小于0.02%，示值變化在3個字以內(nèi)，且校準點數(shù)值越大，影響越小。所以，矩陣開關(guān)會對過程儀表中電阻信號（包括模擬鉑電阻信號）的計量產(chǎn)生較大影響，顯著增大校準不確定度，不可直接忽略，需要通過軟件對其測量結(jié)果進行修正。通過圖4不難發(fā)現(xiàn)，對于每一個量程，矩陣開關(guān)引入的絕對誤差增加量基本保持一致。所以，可以在軟件系統(tǒng)中對此增加一個偏置值，以抵消觸點電阻帶來的影響。

5 結(jié)語

矩陣開關(guān)可以搭配可編程設(shè)備，實現(xiàn)過程儀表自動校準過程中的自動接線問題。但由于矩陣開關(guān)中繼電器本身的特性，其必定會對整體電路和校準結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

本文通過實驗發(fā)現(xiàn)，對于直流電壓、直流電流、頻率信號，繼電器本身以及時間/溫度漂移對校準點數(shù)值較大的情況影響較小，不需要額外進行修正，而對于校準點數(shù)值較小的情況，需要軟件對其進行修正。對于電阻信號而言，雖然時間/溫度漂移帶來的影響較小，但繼電器本身的觸點電阻對于計量結(jié)果的影響較大，無法直接忽略。由于誤差變化量基本相同，系統(tǒng)需要通過軟件手段對結(jié)果進行修正，再應(yīng)用于校準報告中。該方法和實驗可以為需要切換接線的自動校準系統(tǒng)提供參考。