模擬電阻校準方法研究

倪有明

(南京機電液壓工程研究中心，江蘇南京211106)

0 引言

隨著電子技術的飛速發展，用于計量檢定與校準的標準器具也取得了長足的發展，過程儀表校驗儀正逐步取代傳統的直流電位差計和電阻箱，廣泛應用于溫度二次儀表的檢定與校準工作。但在用數字多用表電阻測量功能對過程儀表校驗儀和多功能校準儀模擬電阻輸出功能校準時，卻會出現校準數據與輸出標稱值相差很大，有時甚至是錯誤的情況。如用8508A 數字多用表對某過程儀表校驗儀100 Ω 電阻輸出進行校準，當8508A 置于200 Ω 量程時，校準值為118 Ω 左右且不穩定，而8508A 置于2 kΩ 量程時，校準值為100.018 Ω 左右。為什么會產生如此大的差異，哪一個校準值真實可信?為此有必要對模擬電阻的校準方法進行研究。電壓)［1］驅動下，根據歐姆定律自動調節輸出端的電壓值(或電流值)來模擬電阻。圖1 是基于外部激勵電流驅動的一個模擬電阻原理圖。

校準模擬電阻時，設電阻測量儀表的測量電流為Ⅰ(此電流即為模擬電阻的激勵電流)，則電阻R 可等效為

式中:Vo為模擬電阻的輸出電壓;k 為傳遞系數;Rs為標準電阻值;kRs為模擬電阻校正后的一個常數;D為輸入到數模轉換器DAC 的數據。

此時，若想得到模擬電阻R，只需控制微機uP 向DAC 送入適當的數據即可。

圖1 模擬電阻原理圖

1 模擬電阻的工作原理

模擬電阻不是實物電阻，它是在外部激勵電流(或

2 校準原理及方法

由模擬電阻工作原理可知:模擬電阻值與外部激勵電流(測試電流)有一定的關系。當激勵電流產生的參考電壓超出DAC 有效范圍時，DAC 將工作于非線性區，模擬電阻誤差變大，甚至不能工作。由于數字多用表不同電阻量程的激勵電流不同，如8508A，1281A，3458A 等數字多用表200 Ω 量程時的激勵電流為10 mA，2 kΩ 量程時的激勵電流為1 mA，因此用數字多用表電阻功能校驗模擬電阻就會出現問題。

有的校驗儀在模擬電阻輸出時給出了激勵電流的范圍。如:ConST 31X(A)系列過程校驗儀在輸出1 ～110 Ω 模擬電阻時激勵電流范圍為0.6 ～4 mA;110 ～400 Ω模擬電阻時激勵電流范圍為0.3 ～4 mA;400 ～1000 Ω模擬電阻時激勵電流范圍為0.06 ～1.5 mA;1000 ～4000 Ω 模擬電阻時激勵電流范圍為0.01 ～0.6 mA。同時建議在輸出1 ～400 Ω 模擬電阻時激勵電流為1mA;400 ～4000 Ω 模擬電阻時激勵電流為0.1mA［2］。表1 是某過程校驗儀100 Ω 模擬電阻輸出時不同校準電流下的校準數據。

表1 不同校準電流時某100 Ω 模擬電阻校準數據

不同廠商對熱電阻溫度儀表有不同的設計標準，主要表現在激勵電流大小有差別且方向也不統一。因此，在實際使用中，模擬電阻是否可以作為標準器校準配熱電阻的二次儀表應慎重考慮。

由以上分析知:校準模擬電阻時應有可調式直流恒流源、標準電阻及直流數字電壓表，以精確測量流過模擬電阻的電流及模擬電阻上產生的壓降，根據歐姆定律計算出模擬電阻值。此方法適用于所有等級的模擬電阻檢定/校準工作。模擬電阻校準原理圖如圖2所示。

式中:Rx為待校模擬電阻值;Vx為待校模擬電阻上電壓值;Rn為標準電阻值;Vn為標準電阻上電壓值。

圖2 模擬電阻校準原理圖

當具有高精度標準電流源(如5720A 多功能校準源)和數字多用表(如8508A 數字多用表)時，可以省略標準電阻及換向開關，此時有

式中:Ⅰn為流過模擬電阻的標準電流值。

用此方法對某過程儀表校驗儀400 Ω 量程的模擬電阻進行校準(校準電流為1mA)，校準數據如表2所示。由表2 知此過程儀表校驗儀400 Ω 量程的模擬電阻輸出完全符合其技術指標要求。

表2 某過程儀表校驗儀400 Ω 量程模擬電阻校準數據

3 校準不確定度評定及驗證

3.1 校準不確定度評定

3.1.1 評定方法一:GUM 法［3］

過程儀表校驗儀輸出100 Ω 模擬電阻，5720A 多功能校準源輸出1mA 直流電流至模擬電阻電流端，用8508A 數字多用表測量模擬電阻電位端電壓值，按式(3)計算輸出模擬電阻值。

按式(4)計算被校模擬電阻的誤差:

傳播系數:

測量不確定度來源、分量值及傳播系數見表3。

表3 校準100 Ω 模擬電阻時不確定度來源及傳播系數一覽表

以上引入各不確定度分量的因素相互獨立，互不相關，則合成標準不確定度

取k=2，則擴展不確定度

U=kuc=2×2.5=5 mΩ

校準結果為Rx=(100.016±0.005)Ω，k=2

3.1.2 評定方法二:MCM 法［4］

MCM(蒙特卡洛)法是實現概率分布傳播的一種數值方法，它無需計算方差傳播系數，適用于復雜數學模型或難以用數學模型表示的測量不確定度評定。根據試驗數據及其他技術資料得到如表4所示的輸入量信息。

表4 校準100 Ω 模擬標準電阻時不確定輸入量信息

通過隨機數發生器進行10000 次數據模擬，得到如圖3所示的輸出量PDF 分布，由圖3 可知模擬電阻校準值近似成正態分布，校準不確定度為0.005 Ω，95%的最短包含區間為［100.011 Ω，100.021 Ω］。

圖3 模擬電阻校準值PDF 分布圖

可以看出:GUM 法與MCM 法評定結果基本一致，是可以信賴的。

3.2 校準不確定度的驗證［5］

測量標準不確定度的驗證采用傳遞比較法。用一等100 Ω 標準電阻作為標準器具，RT9606 全自動電阻校驗儀測量同一模擬電阻，測量結果為100.015 Ω，校準不確定度U' 為0.001 Ω。此時有

說明用5720A 多功能校準源和8508A 數字多用表開展模擬電阻校準工作的測量不確定度評定結果合理，可以開展0.02 級以下模擬電阻的檢定/校準工作。

4 結論

由于數字多用表電阻測量功能的激勵電流原因，不能使用數字多用表直接開展模擬電阻的校準工作。但可以通過標準電流源輸出電流激勵模擬電阻，用數字多用表測量模擬電阻上電壓間接完成校準工作。通過測量不確定度的評定進一步證明校準方法的可行性和實用性，圓滿解決了模擬電阻的檢定與校準問題。

［1］黃波.數字化智能有源直流電阻箱［J］.計量技術，1998(5):15- 17.

［2］北京康斯特科技儀表股份有限公司.ConST 31X(A)系列過程校驗儀技術說明書［Z］.

［3］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF1059.1-2012 測量不確定度評定與表示［S］.北京:中國質檢出版社，2012.

［4］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF1059.2-2012 用蒙特卡洛法評定測量不確定度［S］.北京:中國質檢出版社，2012.

［5］國家國防科技工業局.JJF(軍工)3-2012 國防軍工計量標準器具技術報告編寫要求［S］.北京:軍標出版發行部，2012.