過程校驗儀校驗熱電阻輸入模塊誤差分析

王博　任浩　王亞麗

摘 要 針對某過程校驗儀校驗熱電阻信號輸入模塊時存在的溫度數(shù)據(jù)誤差率達8.45%的異常現(xiàn)象，開展實驗研究。將溫度測量轉(zhuǎn)換為電阻測量問題，分別設計了應用過程校驗儀及精密電阻箱進行校驗的實驗。實驗數(shù)據(jù)顯示，前者的電阻值測量數(shù)據(jù)平均誤差率為14.1%，后者誤差率僅為0.21%。然后通過數(shù)據(jù)分析，提出假設。實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(guī)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。

關鍵詞 過程校驗儀 熱電阻信號校驗 熱電阻信號輸入模塊 精密電阻箱 誤差分析

中圖分類號 TH811? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 1000?3932（2023）02?0223?08

現(xiàn)代過程工業(yè)控制系統(tǒng)中各回路測量值的準確性對于控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關重要，在現(xiàn)場儀表、控制器接口模塊可靠性及穩(wěn)定性與現(xiàn)場儀表、控制器精度密切相關的情況下，如果儀表及控制器模塊有較大的測量誤差，會引起工藝控制參數(shù)偏離實際值，從而引發(fā)安全生產(chǎn)事故［1，2］。因此，為了確保生產(chǎn)的安全運行，需要對現(xiàn)場儀表、傳感器、變送器和控制系統(tǒng)的模擬量輸入輸出模塊進行定期校驗和檢定，確保其準確性滿足精度要求［3，4］。

在生產(chǎn)線投運后，現(xiàn)場儀表、控制器的位置基本都已經(jīng)固定，通常無法拆下帶回實驗室進行校驗。一般使用便攜式過程校驗儀對過程控制系統(tǒng)儀表和系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進行校驗。便攜式過程校驗儀在功能上與實驗室的大型過程校驗裝置類似，但體積要小很多，基本與萬用表相差無幾。其基本涵蓋過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，實現(xiàn)對壓力變送器的現(xiàn)場校驗；或者輸出精密的溫度值，實現(xiàn)對溫度變送器的現(xiàn)場校驗［5，6］。同時，便攜式過程校驗儀的精度高，通常具有

20位的分辨率，而常見的過程控制中控制器接口模塊一般不超過16位，因此在絕大多數(shù)回路、設備、儀器儀表的校準過程中，它所檢測或輸出的信號是值得信賴的。

但若過程校驗儀輸出的物理量信號數(shù)值與待校驗設備實際測量數(shù)值存在較大誤差，則會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，筆者對過程校驗儀在工業(yè)應用中產(chǎn)生的誤差進行研究與分析，找出存在校驗誤差的原因，為正確應用過程校驗儀校驗過程回路提供技術支持。

1 問題的提出

1.1 校驗原理

在現(xiàn)場應用中，模擬量模塊與熱電阻為四線制連接方式［7］，如圖1所示［8～10］。

四線制測量原理

四線制連接的優(yōu)點是能夠消除導線電阻R的影響，同時消除導線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合。每個熱電阻占用兩個通道（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條導線均具有導線電阻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R計算式為：

Rpt100=U/I? ? ? ? ?（1）

式中 I——通道1恒流源輸出的電流值，mA；

U——通道2測量的熱電阻兩端電壓值，mV。

某工業(yè)現(xiàn)場，應用過程校驗儀校驗PLC的模擬量輸入模塊的熱電阻信號，校驗裝置如圖2所示。其中，監(jiān)控計算機中安裝有PLC編程及監(jiān)控軟件，用來記錄熱電阻信號輸入通道的數(shù)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。應用過程校驗儀分別產(chǎn)生熱電阻校驗信號，<＼＼Pc18＼本地磁盤（e）＼李玲＼化工自動化及儀表＼2023年自動化儀表＼第2期＼王博2.tif>

輸出到模塊的輸入通道，再通過PLC的編程軟件在線監(jiān)視模擬量通道的數(shù)值，與過程校驗儀的輸入信號數(shù)值比較，即可判定待校驗模塊是否準確。

1.2 校驗方法

將過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 ℃開始，每隔100 ℃輸出一個熱電阻信號，直到量程上限800 ℃為止［11～13］。利用PLC編程軟件監(jiān)控過程校驗儀所連接模擬量通道的數(shù)值，PLC編程軟件監(jiān)控到的模擬量數(shù)值是

所檢測溫度值的10倍，因此將監(jiān)控值除以10即得到PLC模擬量通道所監(jiān)視到的溫度值，將其與過程校驗儀顯示的溫度數(shù)據(jù)比較，若兩者接近，且在誤差允許范圍內(nèi)，則說明兩個問題：

a. 待校驗模塊的準確性較好；

b. 過程校驗儀適用于該模塊的校驗。

如果過程校驗儀數(shù)據(jù)與模塊測量數(shù)據(jù)存在較大的誤差，則說明可能存在以下3種情況：

a. 過程校驗儀自身有誤差、不準確，雖然可以用同類過程校驗儀替換，再校驗確定是否屬于此類故障，但由于過程校驗儀價格較高，工廠可能不會配置多臺同樣型號的儀器，此種操作的實用性不強；

b. 待校驗模塊有誤差，不能滿足工業(yè)現(xiàn)場使用要求，需更換；

c. 過程校驗儀與熱電阻信號輸入模塊之間存在兼容性問題，不適用此種校驗場合。

1.3 校驗數(shù)據(jù)

依據(jù)1.2節(jié)的校驗方法，分別記錄過程校驗儀顯示溫度、模擬量通道標準化溫度，得到溫度值及其誤差數(shù)據(jù)分布如圖3所示。

由圖3可見，模擬量通道標準化溫度總與過程校驗儀顯示溫度有偏差，溫度偏差值隨著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 ℃，整個量程范圍內(nèi)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(tǒng)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模擬量模塊誤差過大，應重新校準或判廢。但考慮到PLC模擬量模塊屬于價格昂貴的重要控制模塊，應慎重處理這一異常情況。按照式（1）計算四線制熱電阻的電阻值，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(zhuǎn)換為電流、電壓、電阻等電參數(shù)做進一步研究。

2 過程校驗儀的電參數(shù)實驗研究

2.1 電參數(shù)測量實驗研究裝置設計

為了測量過程校驗儀輸出熱電阻信號接入PLC熱電阻信號輸入模塊回路中的電壓和電流信號，采用兩只萬用表進行測量，將其中一只萬用表設定為電流測量模式，串聯(lián)接入測量回路；將另外一只萬用表設定為電壓測量模式，并聯(lián)接入測量回路。實驗裝置如圖4所示。

2.2 實驗方法

將過程校驗儀設定為熱電阻（Pt100）輸出狀態(tài)，分別從量程的最低限-200 ℃開始，每隔100 ℃，輸出一個熱電阻信號，直到量程上限800 ℃為止。用兩只萬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；將PLC的模擬量輸入模塊設定為四線制電阻值測量模式，通過PLC編程軟件監(jiān)控過程校驗儀所連接模擬量模塊通道的數(shù)值，PLC編程軟件監(jiān)控到的模擬量數(shù)值是所檢測的電阻值R；再查找PT100熱電阻的電阻值與溫度的對應關系［14］，作為標準電阻值R，計算R與R的誤差率δ。通過分析電壓、電流、電阻之間的關系，即可得出測量誤差產(chǎn)生的原因。

2.3 實驗數(shù)據(jù)

依據(jù)2.2節(jié)的實驗方法，分別記錄過程校驗儀顯示溫度、電壓、電流以及R/R（表1），過程校驗儀顯示溫度、電阻值及誤差率曲線如圖5所示。

2.4 數(shù)據(jù)分析

從圖5可以看出，過程校驗儀在設定溫度下，R與R基本重合，說明二者阻值基本一致；R與R和R之間的差值隨著校驗儀設定溫度的升高而增大。

結合表1、圖5分析可知：

a. 過程校驗儀在設定溫度下，R與R數(shù)值接近，兩者的平均誤差率僅為1.01%，考慮到電壓、電流測量儀表的誤差，可以證實過程校驗儀輸出電阻值信號如果依照電流、電壓關系換算，是正確無誤的。

b. 過程校驗儀輸出電流基本為0.30 mA，且保持不變，說明過程校驗儀在輸出電阻信號時，采用恒流源模式，通過調(diào)節(jié)輸出電壓的方式產(chǎn)生相應的阻值。

c. R/R的平均值為0.859，誤差率為14.1%，各測量數(shù)據(jù)的均方誤差為0.9%，反映了R與R的比值是穩(wěn)定的，屬于系統(tǒng)誤差。

過程校驗儀能夠通過維持線路電流值不變、調(diào)節(jié)輸出電壓的方法輸出電阻值，PLC的熱電阻信號輸入模塊也是依靠線路的電壓和電流換算電阻值的，兩者的工作原理并無差別，而且過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(tǒng)誤差，因此筆者假設過程校驗儀在輸出電阻的功能下，與PLC的模擬量輸入模塊存在由于某種原因?qū)е碌募嫒菪詥栴}，致使模擬量輸入模塊無法顯示正確數(shù)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［15］。但是其價格昂貴，多數(shù)企業(yè)尚未配置，可操作性不強。綜合經(jīng)濟性評價，提出應用精密電阻箱產(chǎn)生標準電阻，直接連接PLC模擬量輸入模塊進行模塊校驗。為了驗證這一假設正確與否，需要開展進一步研究。

3 應用精密電阻箱的實驗研究

3.1 實驗裝置設計

將精密電阻箱以四線制的方式連接到PLC模擬量輸入通道［16］，為了研究測量回路中的電壓、電流信號與電阻值之間的關系，應用兩只萬用表，將其中一只萬用表設定為電流測量模式，串聯(lián)接入測量回路；再將另外一只萬用表設定為電壓測量模式，并聯(lián)接入測量回路。實驗裝置如圖6所示。

3.2 實驗方法

根據(jù)熱電阻阻值和溫度的對應關系，將精密電阻箱的電阻值分別調(diào)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(jiān)視值、標準化后的溫度數(shù)值，以分析精密電阻箱是否能夠用于模擬校驗PLC模擬量輸入模塊。

3.3 實驗數(shù)據(jù)

依據(jù)3.2節(jié)的實驗方法，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如圖7所示；標準電阻R、模擬量通道監(jiān)視數(shù)值、模擬溫度值、標準化溫度值見表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如圖8所示。

3.4 數(shù)據(jù)分析

由表2、圖7可見，應用精密電阻箱的標準電阻值R與通過測量電壓、電流方式計算得到的電阻值R基本重合，說明兩者阻值基本一致，誤差率最大不超過0.25%，最小接近于0；由表3可見，通過應用標準電阻得到的標準溫度值與模擬溫度值做比較，PLC模擬量輸入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、電流測量儀表的誤差，可以證實精密電阻箱適用于PLC模擬量輸入模塊的校驗。

由圖8可見，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，說明經(jīng)過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：

a. PLC模擬量輸入模塊測量回路輸出的激勵電流均值為0.257 mA。查閱PLC模擬量模塊技術手冊，該模塊在設定為Pt100熱電阻測量模式時，向熱電阻輸出的激勵電流為穩(wěn)定的0.25 mA［17，18］。

考慮到電流儀表的測量誤差，可以判斷出，與實驗測量的電流數(shù)據(jù)相比兩者基本相符。

b. 根據(jù)電壓、電流計算得到的電阻值R與精密電阻箱所調(diào)節(jié)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(nèi)，表明模擬量輸入模塊按照電壓和電流的關系計算出電阻值，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模擬量輸入模塊是通過測量端子7、8處的電壓值，換算出熱電阻的電阻值，進而獲取對應的溫度值。PLC模擬量輸入模塊直接連接精密電阻箱，由于電阻箱是一個純電阻組成的元件，回路中的電流全部來源于PLC模擬量輸出模塊的3、4號端子，PLC模擬量輸入模塊為電阻箱發(fā)送的電流為自身恒流電源數(shù)值，電壓為測量出的實際值，因此，在該回路中，得到的電阻值是正確的。在表1中，過程校驗儀連接PLC模擬量輸入模塊，由于過程校驗儀的工作原理是以恒流源的形式輸出，通過調(diào)節(jié)自身輸出電壓值的方式，以電子電路為載體實現(xiàn)電阻信號的輸出。過程校驗儀輸出一個激勵電流，大小為0.30 mA，輸出的電壓值是以該電流值為基準。但PLC模擬量輸入模塊在換算電阻值時，并不以過程校驗儀輸出的電流數(shù)值為基準，而是以自身模塊輸出的恒流源為基準，其值為0.25 mA。

因此筆者提出假設：若PLC模擬量輸入模塊在計算測量電阻值的過程中，以自身恒流源輸出的0.25 mA激勵電流為準，而不受外部線路的影響，則當外部電路輸出的激勵電流不等于模擬量輸入模塊默認的0.25 mA時，會產(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I，外部測量回路中過程校驗儀輸出的激勵電流為I，PLC測得的電阻與過程校驗儀輸出的電阻之間的比值K為：

在本實驗中，過程校驗儀輸出的恒流源數(shù)值為0.30 mA，故計算得到K為0.833。

4.2 實驗求證

利用過程校驗儀產(chǎn)生電阻信號，按照四線制的接法連接到PLC模擬量輸入模塊，實驗裝置與圖4相似，區(qū)別是將過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制電流測量模式。在Pt100熱電阻測溫范圍內(nèi)，每隔50 Ω產(chǎn)生一個輸出電阻值，直到接近測溫上限800 ℃對應的電阻值，分別記錄PLC模擬量輸入通道監(jiān)視的數(shù)值，再換算成電阻值，相關數(shù)據(jù)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(jié)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，按照四線制的接法連接到PLC模擬量輸入模塊，實驗裝置與圖6相似，區(qū)別是精密電阻箱采用的是等間隔電阻輸出模式，PLC模擬量輸入模塊設定為四線制電流測量模式。在Pt100熱電阻測溫范圍內(nèi)，每隔50 Ω產(chǎn)生一個輸出電阻值，直到接近測溫上限800 ℃對應的電阻值，分別記錄PLC模擬量輸入通道監(jiān)視數(shù)值，再換算成電阻值，得到誤差關系曲線如圖10所示。

由圖10可見，電阻箱阻值與計算電阻值的折線重合，說明兩者阻值基本一致，并且根據(jù)兩者誤差率曲線可以看到，二者誤差率最大不超過0.12%。PLC模擬量輸入模塊測得的電阻數(shù)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模擬量輸入模塊的電阻值信號。

5 分析與討論

過程校驗儀輸出電阻信號時，它的內(nèi)部不是物理上實際存在的電阻，而是通過電子電路“模擬”輸出的電阻，與真實的電阻不同。真實的電阻是物理上事實存在的元件，它的電阻值是由自身電阻率、長度、截面積決定的，當PLC模擬量輸入模塊輸入電阻信號時，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會產(chǎn)生誤差。

精密電阻箱是真實的物理電阻，它不是依靠電子電路模擬，回路中的電流完全來源于PLC模擬量輸入模塊，它用于校驗PLC模擬量輸入模塊時不會產(chǎn)生測量誤差。

6 結束語

過程校驗儀能夠?qū)崿F(xiàn)電壓、電流、頻率、電阻、熱電阻及熱電偶等信號的現(xiàn)場校驗，是工業(yè)自動化工程師調(diào)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的電阻，而是通過恒流源輸出，改變端口的輸出電壓，從而模擬一個虛擬的電阻。而可編程邏輯控制器的模擬量輸入模塊，在用作熱電阻輸入、電阻信號輸入功能時，也會輸出一個恒定的電流值。當兩者電流數(shù)值不一致時，會產(chǎn)生計量誤差。如果應用過程校驗儀的熱電阻、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。但是這一點在工程實施上頗有難度，因為過程校驗儀和熱電阻信號輸入模塊的激勵電流屬于高級別的參數(shù)，在儀表操作中很少接觸，因此較難獲取這一數(shù)據(jù)；另外，過程校驗儀在輸出不同電阻值的區(qū)間時，其激勵電流又有所不同，這給準確掌握激勵電流數(shù)值帶來了較大的不確定因素。精密電阻箱是真實物理存在的電阻，它并不會產(chǎn)生激勵電流，在測量時，流過的電流與現(xiàn)場儀表一致，能夠保證測量的準確性。因此，在校驗熱電阻輸入信號模塊時，使用精密電阻箱更為可靠。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2022-08-17，修回日期：2023-02-10）

Error Analysis for the Process Calibrator Calibrating?Thermal Resistance Input Module

WANG Bo， REN Hao， WANG Ya?li

（School of Mechanical & Electrical Engineering， Shaanxi University of Science & Technology）

Abstract? ?Aiming at a process calibrators 8.45% temperature error rate in checking thermal resistance signal input module， the experimental research was carried out. In which， measuring temperature was transformed into measuring the resistance， and the experiment on both process calibrator and precision resistance box was designed for the checking operation. The experimental data shows that， the error rate averaged of the former is 14.1% while that of the latter is only 0.21%.The data analysis， hypothesis and experimental verification prove that， the ratio of the modules measured value to the calibrators output value equals to the ratio of both excitation currents. The research result indicates that the difference of two excitation currents can incur this measurement error. The precision resistance box should be recommended to verify this module. In case that a calibrator will be used， ensuring calibrators excitation current equals to the devices becomes necessary.

Key words? ?process calibrator， checking of thermal resistance signal， input module of thermal resistance signal， precision resistance box， error analysis

基金項目：陜西省技術創(chuàng)新與引導專項（基金）項目（2018HJCG?10）；陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項目（19JC004）；陜西科技大學博士科研啟動基金項目（2018BJ?28）。

作者簡介：王博（1980-），高級實驗師，從事過程控制工程（DCS）及機電一體化技術的研究。

通訊作者：任浩（1999-），碩士研究生，從事動力工程熱物理的研究，aron0925@163.com。

引用本文：王博，任浩，王亞麗.過程校驗儀校驗熱電阻輸入模塊誤差分析［J］.化工自動化及儀表，2023，50（2）：223-230.