李軼灝

（上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引 言

電子計(jì)量設(shè)備指的是計(jì)量物體在懸掛狀態(tài)下的質(zhì)量的一種計(jì)量設(shè)備，對(duì)精度有很高的要求[1]。電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)是確保物體質(zhì)量計(jì)量精度的有效途徑，我國常用的電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)方法包括數(shù)字萬用自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)和通信綜合測(cè)試儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)兩種。但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于一種校準(zhǔn)系統(tǒng)所適用的電子計(jì)量設(shè)備型號(hào)十分有限，無法通用于所有型號(hào)的電子計(jì)量設(shè)備，導(dǎo)致電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)普遍存在局限性[2]。在國外，電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)方面的研究起步較早，較為成熟的公司為Fluke，主要經(jīng)營范圍為MET/CAL自動(dòng)校準(zhǔn)管理軟件，并且對(duì)外發(fā)售。該軟件同時(shí)具備管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫以及自動(dòng)校準(zhǔn)功能，一經(jīng)推出，受到了相關(guān)部門的重點(diǎn)關(guān)注。MET/CAL自動(dòng)校準(zhǔn)管理軟件的不足之處在于價(jià)格昂貴，且在實(shí)際應(yīng)用過程中需要相應(yīng)的調(diào)試才能操作，在我國適用性不強(qiáng)[3]?；诖?，設(shè)計(jì)了一種新型基于電流傳感器的電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)方法，致力于實(shí)現(xiàn)對(duì)電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 基于電流傳感器的電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)方法

1.1 確定設(shè)備參數(shù)及校準(zhǔn)點(diǎn)

在電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)過程中，不同的電子計(jì)量設(shè)備的基本參數(shù)必然不同。因此，必須在確定電子計(jì)量設(shè)備基本參數(shù)的前提下選定校準(zhǔn)點(diǎn)[4]。本文將校準(zhǔn)點(diǎn)選取分為兩種情況：一是對(duì)基本量程的電子計(jì)量設(shè)備，選擇電子計(jì)量設(shè)備基本量程的60%、70%、80%、90%以及100%作為測(cè)試點(diǎn)；二是對(duì)非基本量程的電子計(jì)量設(shè)備，選擇100%作為測(cè)試點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，通過電流傳感器測(cè)量測(cè)試點(diǎn)的輸出電流有效值，確定測(cè)試點(diǎn)電流導(dǎo)通時(shí)間的準(zhǔn)確度，進(jìn)而為電流導(dǎo)通時(shí)間誤差分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 基于電流傳感器的誤差分析

針對(duì)電子計(jì)量設(shè)備的零件誤差和信號(hào)處理誤差，基于電流傳感器進(jìn)行誤差分析?？梢酝ㄟ^電流傳感器的示波器顯示出電流傳感器輸出端的電流，并讀取電流持續(xù)時(shí)間，計(jì)算電流導(dǎo)通時(shí)間誤差。設(shè)電流導(dǎo)通時(shí)間誤差為γ，則其計(jì)算方式為：

式中：T是試驗(yàn)臺(tái)輸出電流導(dǎo)通時(shí)間，單位為min；s是實(shí)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)輸出電流導(dǎo)通時(shí)間，單位為min。通過式（1）可得出電流導(dǎo)通時(shí)間誤差，并測(cè)量電子計(jì)量設(shè)備的絕緣電阻和接地電阻。為確定電子計(jì)量設(shè)備輸出電流有效值相對(duì)誤差，本文將電流傳感器串入試驗(yàn)臺(tái)電流輸出回路，利用電流傳感器將電壓轉(zhuǎn)換為電流，在示波器上得到電流變化曲線，進(jìn)而計(jì)算電子計(jì)量設(shè)備輸出電流有效值[5]。設(shè)電子計(jì)量設(shè)備輸出電流有效值相對(duì)誤差為?，則其計(jì)算方式為：

通過式（2）可以看出電子計(jì)量設(shè)備輸出電流有效值相對(duì)誤差與試驗(yàn)臺(tái)顯示輸出電流有效值。試驗(yàn)臺(tái)顯示輸出電流有效值越大，則電子計(jì)量設(shè)備輸出電流有效值相對(duì)誤差越高；反之，電子計(jì)量設(shè)備輸出電流有效值相對(duì)誤差則越小。結(jié)合上述基于電流傳感器對(duì)電子計(jì)量設(shè)備的誤差分析，以下構(gòu)建對(duì)應(yīng)的誤差自動(dòng)校準(zhǔn)模型，結(jié)合模型設(shè)計(jì)進(jìn)行電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)方法的研究。

1.3 構(gòu)建誤差自動(dòng)校準(zhǔn)模型

根據(jù)上述公式中的主要角度參數(shù)，可構(gòu)建誤差自動(dòng)校準(zhǔn)模型。相比傳統(tǒng)的誤差自動(dòng)校準(zhǔn)模型，本文采用相對(duì)簡(jiǎn)單的線性結(jié)構(gòu)，將坐標(biāo)點(diǎn)正交與重合的問題列入模型構(gòu)建，以提升電子計(jì)量設(shè)備的精準(zhǔn)程度。在基于電流傳感器的誤差分析基礎(chǔ)上，可通過電流傳感器讀取的電流值實(shí)現(xiàn)電子計(jì)量設(shè)備的自動(dòng)校準(zhǔn)，原理如圖1所示。

圖1 電流傳感器誤差自動(dòng)校準(zhǔn)原理

如圖1所示，在單片機(jī)兩端通控制電流S，并在單片機(jī)的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為C的均勻磁場(chǎng)。設(shè)垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生電勢(shì)差為V，則有：

式中：M是電流傳感器延時(shí)電流；N是電壓傳感器的靈敏度；S是單片機(jī)在磁場(chǎng)方向上的厚度；C是電子計(jì)量設(shè)備電流導(dǎo)通時(shí)間；θ是測(cè)試臺(tái)溫度，單位為℃。通過式（3）得出垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生電勢(shì)差后，利用電流傳感器中的單片機(jī)讀取電子計(jì)量設(shè)備的正常電流值。

結(jié)合電流傳感器、精度較高的ADS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片技術(shù)以及現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為電子計(jì)量設(shè)備誤差數(shù)據(jù)自動(dòng)校準(zhǔn)提供云計(jì)算算法，將電子計(jì)量設(shè)備信號(hào)處理誤差控制在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。在進(jìn)行電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)過程中，提升電子計(jì)量設(shè)備的精準(zhǔn)度，從而完成基于電流傳感器的電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)。

2 實(shí)例分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次實(shí)例分析選取某電子計(jì)量設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用設(shè)計(jì)的自動(dòng)校準(zhǔn)方法，結(jié)合電流傳感器進(jìn)行電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)，再使用傳統(tǒng)的自動(dòng)校準(zhǔn)方法進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，并將傳統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)方法設(shè)置為對(duì)照組。本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為測(cè)試兩種自動(dòng)校準(zhǔn)方法下的殘差。殘差數(shù)值越低，證明該自動(dòng)校準(zhǔn)方法的精度越高。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，將實(shí)驗(yàn)次數(shù)設(shè)置為10次，并記錄測(cè)試結(jié)果。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟，采集10組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比兩種自動(dòng)校準(zhǔn)方法下的殘差，殘差對(duì)比結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，設(shè)計(jì)的自動(dòng)校準(zhǔn)方法在實(shí)際應(yīng)用中殘差最高為0.210，對(duì)照組殘差最高為0.748。設(shè)計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)方法的校準(zhǔn)殘差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)方法，證明本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)校準(zhǔn)方法相對(duì)于傳統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)精度更高。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 論

通過電流傳感器在電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)中的應(yīng)用研究，證明了電流傳感器在電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)中應(yīng)用的可行性。電流傳感器作為電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)中的核心應(yīng)用，必須要加以重視。在電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電流傳感器的能動(dòng)性可以得到充分發(fā)揮。此外，需要加強(qiáng)對(duì)電子計(jì)量設(shè)備本身零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免由于先天誤差導(dǎo)致出現(xiàn)電子計(jì)量設(shè)備自動(dòng)校準(zhǔn)無效的現(xiàn)象。