和曉婷,張 鋒(慶安集團有限公司,陜西西安,710077)
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直流電橋自動檢定系統(tǒng)研制
和曉婷,張 鋒
(慶安集團有限公司,陜西西安,710077)
摘要:為解決直流電橋手工檢定操作繁瑣,速度慢,讀數(shù)不直觀,出錯率高,數(shù)據(jù)處理復雜等難題,開發(fā)了直流電橋自動檢定系統(tǒng)的硬件環(huán)境。本文主要對直流電橋自動檢定系統(tǒng)的硬件組成、軟件設(shè)計、數(shù)據(jù)驗證、系統(tǒng)優(yōu)點等多個方面進行了介紹。本系統(tǒng)采用Fluke公司的多功能信號發(fā)生器Fluke 5520A輸出高精度的標準電阻來進行直流電橋檢定,計算機與Fluke 5520A信號發(fā)生器之間的通信采用GPIB板卡技術(shù)。根據(jù)檢定規(guī)程設(shè)計了基于MET/CAL自動檢定軟件,編制了基于Crystal的證書報告。實驗證明,該系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠性高、軟件運行直觀、數(shù)據(jù)處理簡單方便,提高了工作效率,減少了人為因素影響。
關(guān)鍵詞:直流電橋;Fluke5520A;自動檢定;MET/CAL
在現(xiàn)代化、工業(yè)化推進速度越來越快的今天,計算機、通信和測量技術(shù)高速發(fā)展,儀器儀表已經(jīng)從過去的機械式、模擬式儀表逐漸走向數(shù)字化、智能化。隨著檢測技術(shù)的不斷發(fā)展以及數(shù)字儀器的廣泛使用,程控接口普遍應用于數(shù)字儀器儀表,并且功能指標大幅度超出模擬儀器儀表所能測量的范圍,假如仍采用傳統(tǒng)的眼觀手記、手動檢定方式,不僅工作量大、出錯率高,而且部分數(shù)字儀器眾多先進性能的檢測也不能通過傳統(tǒng)的手工方式實現(xiàn),因此儀器儀表自動檢定在國內(nèi)外已經(jīng)成為一種趨勢。
近年來,筆者嘗試用多功能校準源Fluke5520A實現(xiàn)了多種儀器儀表的自動檢定。目前又開發(fā)了直流電橋自動檢定系統(tǒng),使得直流電橋的檢定,記錄數(shù)據(jù)、保存原始記錄、打印證書等工作均可由多功能校準源、計算機等組成的自動檢定系統(tǒng)來完成,提高工作效率和測量的準確性,解決手工操作繁瑣,速度慢,讀數(shù)不直觀,出錯率高,數(shù)據(jù)處理復雜,工作量大等難題。
通過走訪調(diào)研多家計量研究所,發(fā)現(xiàn)其直流電橋檢定依然采用傳統(tǒng)的手工方法。因此,該系統(tǒng)的成功研制不僅能為后續(xù)自動檢定系統(tǒng)的研制打下良好基礎(chǔ),而且還可為業(yè)內(nèi)同行提供設(shè)計參考。
1.1 電橋檢定原理
一般選擇具有足夠準確度和讀數(shù)位數(shù)的標準電阻箱來檢定電橋,圖1所示為其原理圖。將標準電阻箱接于被檢電橋的測量端,調(diào)節(jié)標準電阻箱使電橋平衡,電橋平衡時標準電阻箱的示值與被檢電橋測量盤全部示值進行比較就可以確定電橋的基本誤差,判斷基本誤差值是否在允許的基本誤差范圍內(nèi),若在允許范圍內(nèi)則表明該測量盤是合格的,反之為不合格。
圖1 電橋檢定原理圖
1.2 系統(tǒng)功能
根據(jù)直流電橋檢定規(guī)程JJG125-2004,該系統(tǒng)應包括以下檢定項目:外觀及線路檢查、絕緣電阻對整體誤差影響、指零儀抖動、絕緣強度、指零儀阻尼時間、內(nèi)附指零儀靈敏度、指零儀漂移以及基本誤差檢定等。
該系統(tǒng)所采用的虛擬儀器技術(shù),是通過GPIB板卡與Fluke公司生產(chǎn)的標準信號發(fā)生器F1uke5520A通信對其進行遠程命令操作,F(xiàn)1uke5520A將每點檢測值發(fā)送給PC機,根據(jù)檢定規(guī)程要求判斷被檢電橋是否合格,并根據(jù)計量規(guī)程打印檢定條件下合格或不合格的檢定記錄,最后將本次檢定信息和檢定結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中,以備日后查。
檢定軟件是基于MET/CAL的計量校準管理軟件。根據(jù)JJG125-2004直流電橋檢定的規(guī)程,采用整體檢定的方法,其對基本誤差的檢定分為兩種,即全檢量程檢定和非全檢量程檢定。并且根據(jù)使用要求,該系統(tǒng)設(shè)置了4個全檢量程檔,電橋檢定規(guī)程要求每個全檢量程檔檢定時要求保證第一個測量盤加入工作,其示值由1到10的各電阻測量值均應在該電橋總的有效量程內(nèi),所以每一個全檢量程檔下設(shè)置了10個小檔。系統(tǒng)設(shè)置了3個非全檢量程檔,根據(jù)檢定規(guī)程,每檔下分三小檔。
電橋自動化檢定系統(tǒng),采用F1uke5520A作為信號源發(fā)生器,對被檢儀表進行檢定。通信部分則采用了GPIB板卡技術(shù)。系統(tǒng)硬件框圖如下圖所示。為了保證系統(tǒng)界面的友好性及可操作性,系統(tǒng)采用了PC機以及Windows XP操作系統(tǒng)。
圖2 系統(tǒng)硬件框圖
手工檢定需要人工旋轉(zhuǎn)標準電阻箱的各盤使電橋達到平衡,在該系統(tǒng)中標準電阻是由計算機下達命令經(jīng)GPIB通信電纜給Fluke5520A, F1uke5520A接收到需發(fā)送的電阻值,輸出標準電阻值,代替標準電阻箱的功能。該方式準確度高,避免了電阻箱由于盤旋鈕旋轉(zhuǎn)不到位造成的誤差。
工作過程是:計算機根據(jù)操作人員設(shè)定檢定盤的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送指令到信號發(fā)生器Fluke5520A,F(xiàn)luke5520A接收到需發(fā)送的電阻值信息,輸出檢定的標準電阻值,檢定人員可以通過點擊計算機上的人機接口界面所標示上升和下降按鈕進行微調(diào),如圖3所示,直至電橋平衡,當電橋平衡時,點擊確定按鈕,計算機利用通信電纜將信號發(fā)生器Fluke5520A實時的電阻輸出值讀回,然后繼續(xù)檢定該盤下的其它分檔,直到全檢量程和非全檢量程全部檢定結(jié)束,分別求出各檔位的基本誤差,判斷該基本誤差是否在允許輸出的基本誤差范圍之內(nèi),若是則該盤合格,否則不合格。
圖3 輸出上升和下降微調(diào)圖
3.1 實現(xiàn)功能
直流電橋自動檢定系統(tǒng)軟件部分可實現(xiàn)的功能見圖4所示。
下面介紹主要功能的工作過程:
(1) 準備工作:預先將標準設(shè)備與計算機系統(tǒng)連接好,將Fluke5520A按使用說明書的規(guī)定時間加電預熱,打開計算機,進入自動檢測系統(tǒng)。
(2) 系統(tǒng)登錄:為了保護知識產(chǎn)權(quán),本系統(tǒng)進行了加密處理,要使用本系統(tǒng),必須注冊成為合法用戶,每次使用時輸入正確的口令密碼后才可進入系統(tǒng)主界面。系統(tǒng)登錄主界面圖如圖5所示。
圖4 軟件界面系統(tǒng)圖
(3)被檢儀器登錄:首先登錄到增加儀器登記記錄界面,編輯被檢儀器檢定時所需要的所有信息,對信息進行編輯后存入數(shù)據(jù)庫,后期檢定記錄和證書報告都可從這里獲取信息,從而避免了一些人為差錯,如圖6所示。
圖5 系統(tǒng)登錄主界面圖
圖6 被檢儀器信息登錄圖
(4)校準:直流電橋沒有程控接口,我們將被檢儀器的檢定程序做成半自動,手動撥盤、自動進行檢測、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)存儲。在測量過程中每出現(xiàn)一次提示后手動撥一下盤,計算機進行取樣、記錄、計算誤差并進行存儲,依次進行直至對全部數(shù)據(jù)完成測量,每個數(shù)據(jù)都是經(jīng)過多次取樣取平均數(shù)而得出來的,相對手動測量而言更準確,并且保證了數(shù)據(jù)處理的結(jié)果與檢定規(guī)程的要求一致。在測量過程中,我們充分地利用了Fluke5520A多功能校準源取樣速度快的特點,經(jīng)過大量反復的試驗和運用成熟的編程技巧,使得程序控制測量的過程既迅速,采集數(shù)據(jù)又準確。而且在順序測量完后,操作人員還可以很方便地進行重新測量或抽查任一數(shù)據(jù),全部測量完成后數(shù)據(jù)文件可保存在任選的目錄下,程序自動給出檢定結(jié)論。
圖7 報告打印方法二
(5)報告:檢定完成后可進行被檢儀器檢定結(jié)果的預覽/打印工作,過去繁瑣、工作量大容易出錯的記錄數(shù)據(jù)、計算誤差、打印證書等工作在這里變得十分輕松,打印方法如圖7所示。
a、啟動 MET/TRAVCK
b、選擇報告/運行已安裝的報告, 選擇需要的報告
c、輸入設(shè)備號,選擇測試日期
d、查看無誤后打印
(6)幫助:此模塊完整細致地介紹了本系統(tǒng)各功能模塊的作用及使用方法,為非編程人員及用戶提供了熟悉和使用本系統(tǒng)的快捷幫助。
3.2 校準軟件
本項目采用MET/CAL7.01計量校準管理軟件實現(xiàn)直流電橋的自動檢定。
(1)程序概況
校準程序由三部分組成:
a.程序概況:程序名稱、設(shè)計日期、版本號、調(diào)整門限、校準標準...
b.程序注釋:#后的說明,與程序執(zhí)行無關(guān)
c.程序主體:程序命令集
校準程序由若干測試點組成,按序號排列;每個測試點有若干條指令;每條指令就是一個FSC (功能選擇代碼)指令的集合。
(2)主要程序命令
STEP FSC RANGE NOMINAL TOLERANCE MOD1 MOD2 3 4 CON
1.001 ASK- R P F W
1.002 HEAD {測量×1檔基本誤差}
1.003 DISP 將QJ23a旋轉(zhuǎn)開關(guān)轉(zhuǎn)至×1檔1.004 PIC dq2
1.005 5520 100 100.0Ω 0.1% 1.006 EVAL -e L[1]>2
3.3 檢定證書及報告
使用 Crystal作校準報告及證書報告。
啟動開始—程序--Seagate Crystal Reports,并選擇一個檢定報告模板。
模板內(nèi)容分兩部分:
(1)報告格式部分-證書報告編輯證書報告所需內(nèi)容,檢定報告編輯檢定報告所需內(nèi)容,概況均為文本格式,可按需要改動。
(2)測試結(jié)果部分—測量參數(shù),標準值,測量值,TUR等等由測量過程確定,不易改動。
表1 QJ23a直流電橋兩種方法檢定的誤差最大檔位測量結(jié)果的對照表
為了證明系統(tǒng)的可靠性,將自動檢測所有檔位測量數(shù)據(jù)與手動檢定的測量結(jié)果進行了比較,最大差值≤4×10-5,滿足測量不確定度的要求,準確可靠。表1給出一臺QJ23a直流電橋用兩種方法檢定的誤差最大檔位測量結(jié)果的對照表,其他檔位不在此羅列。
(1)該系統(tǒng)裝置簡潔、實用。其所用的標準設(shè)備均為實驗室中常用的儀器,易于實現(xiàn),此系統(tǒng)直接使用多功能校準源的電阻功能,既簡化了測量也節(jié)省了開支。
(2)該系統(tǒng)自動化程度較高,從而大大提高了日常檢測工作效率。檢定儀器、處理數(shù)據(jù)、打印證書等工作,過去用手工方法做需用2h,現(xiàn)在只用0.5h,工作效率提高了4倍,把從事本專業(yè)的技術(shù)人員從繁重的檢定工作中解放出來。
(3)軟件運行直觀,操作簡單,人機界面良好。軟件系統(tǒng)生成的可執(zhí)行文件在Windows窗體界面上有獨特的圖標,用鼠標點擊就可進入系統(tǒng)。系統(tǒng)的界面美觀、實用,所見即所得。設(shè)計時我們充分考慮了實用性,在接線、換量程和測量的關(guān)鍵地方都有詳細的提示和清晰的插圖,具有很好的人機對話功能,便于新手操作使用。
(4)系統(tǒng)功能完善,可靠性高。系統(tǒng)將檢定、記錄、打印一氣呵成,充分考慮了操作人員的工作需要以及今后的發(fā)展。為了證明該系統(tǒng)的準確性和可靠性,將該系統(tǒng)自動檢定獲得的數(shù)據(jù)和通過手動檢定的測量結(jié)果進行了對比,完全滿足測量不確定度的要求,結(jié)果準確可靠。
(5)本系統(tǒng)采用Fluke公司自有的MET/CAL自動檢定軟件,軟件開發(fā)平臺通俗易懂,功能強大,其模塊化編程可使功能擴充和程序修改變得比較容易,從而更加便于今后該軟件的維護和升級工作。
該直流電橋自動檢定系統(tǒng),使用GPIB通用接口總線技術(shù),簡化了傳統(tǒng)手工對電橋的檢定過程,能對測量對象進行實時、準確的檢定,提高了檢測的精度、準確度。用戶還可根據(jù)自身需要保存數(shù)據(jù)、打印報表,提高了工作效率,減輕了勞動強度,減少了人為因素影響。
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和曉婷,研究生,現(xiàn)任職于中航工業(yè)慶安集團有限公司檢測計量處,主要研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置。
張鋒,工程師,現(xiàn)任職于中航工業(yè)慶安集團有限公司檢測計量處,主要研究方向電學計量。
Development of DC bridges automatic verification system
He Xiaoting,Zhang Feng
(Qing’an Group Co.,Ltd,xi’an shaanxi 710077)
Abstract:In order to solve the problems such as the fussy operation,slow speed,unintuitive reading, the high error and the complexity of data process in the DC bridges manual verification,we develop the hardware frame of DC bridges automatic verification system.This paper manly introduce the special automatic verification equipment for DC power supply from the hardware composition,software designation, data validation, excellence and disadvantage and so on.This system used Fluke 5520A as a multi-functional signal generator which can output standard resistance to calibrate DC bridges.GPIB board technology was applied between computer and Fluke 5520A.The automatic verification software based on MET/CAL was designed according to the verification regulation,the certificates and reports based on Crystal were compiled. Experiments have shown this system has some advantages as stable measurement,high reliability,directly running of software,simple data processing,this system not only improves the work efficiency,but also reduces the influence of human factor.
Keywords:DC Bridges;Fluke5520A;Automatic Verification;MET/CAL
作者簡介