继电器矩阵开关在过程仪表校准中的应用和影响
2020-11-13上海市计量测试技术研究院
/ 上海市计量测试技术研究院
0 引言
随着信息化和人工智能时代的来临，可编程设备和仪器已经广泛应用于计量行业和工业生产中[1]。由可编程设备配合相应的软件和外设装置带来的自动计量技术凭借速度快、精度高、操作简单等特点成为计量检测和校准的重要手段[2]，可以极大地提高日常校准工作的效率。
经过多年发展和研究，国内外已经有比较成熟的、针对数字多用表和多功能校准源的自动校准解决方案[3][4][5]。而目前的过程仪表自动校准方案[6][7]仅可以实现某一功能下的自动校准，仍然需要人工干预进行接线。于是，在这些方案的基础上引入矩阵开关模块可以解决人工接线的问题，进一步提高自动化程度。
1 矩阵开关的应用
以某品牌某常用型号的过程仪表的校准为例，其仪器面板上有6个接线柱，根据不同组合对应直流电压测量和输出、直流电流测量和输出、电阻测量和输出、模拟铂电阻信号测量和输出等功能，组合较多。按照原有方案，每次切换功能或量程都需要人工进行导线插拔，费时费力。
而作为标准器的标准源和数字多用表共有7个接线柱参与整个校准过程，按照两两配对，有近10种接线组合。所以，这里将接线柱分为被校仪器组和标准器组，通过应用6×8的矩阵开关实现任意行和任意列接线柱的导通。只需控制矩阵开关中的继电器的通断就可以实现校准过程中的接线切换，示意图如图1所示。
图1 继电器矩阵开关示意图
2 矩阵开关继电器的选择
继电器的性能不仅决定了矩阵开关的可靠性和反应速度，还决定了校准方案的校准能力以及校准质量。由于校准电路中增加了继电器，总线阻必定增大，而继电器性能也对整个系统的校准能力产生了限制。此外，触点开关的通断产生的干扰带来的元器件安全性也需要考虑。在继电器的选择中，比较重要的指标和其影响如表1所示。
表1 继电器重要指标和其作用
3 矩阵开关对校准的影响
在标准环境（温度23 ℃±5 ℃，湿度50%RH±5%RH）的实验室中，以某过程仪表的典型功能为例，探讨矩阵开关对校准方案的影响。由于以日常校准工作为原型，所以每次继电器工作时间一般不超过 8 h。
3.1 对直流电压的影响
在对某过程仪表直流电压输出功能的校准过程中，在其导线中引入继电器开关，在同一校准点记录下标准数字多用表的示值，并在8 h后再进行一次同样的校准。分别计算继电器引入产生的示值变化（引入继电器后的标准表示值相对于原示值的变化），以及时间和温度因素产生的示值变化（第8 h的示值相对于第1 h示值的变化），如图2所示。
图2 矩阵开关对直流电压的影响
3.2 对直流电流的影响
在对某过程仪表直流电流输出功能的校准过程中，在其导线中引入继电器开关，在同一校准点记录下标准数字多用表的示值，并在8 h后再进行一次同样的校准。按3.1的方法计算相应的示值变化，如图3所示。
图3 矩阵开关对直流电流的影响
3.3 对电阻的影响
在对某过程仪表电阻（二线制）测量功能的校准过程中，在其导线中引入继电器开关，在同一校准点记录下被校仪器示值，并在8 h后再进行一次同样的校准。按3.1的方法计算相应的示值变化，如图4所示。
图4 矩阵开关对电阻的影响
3.4 对频率信号的影响
在对某过程仪表频率输出功能的校准过程中，在其导线中引入继电器开关，在同一校准点记录下标准数字多用表的示值，并在8 h后再进行一次同样的校准。按3.1的方法计算相应的示值变化，如图5所示。
图5 矩阵开关对频率的影响
4 试验结果分析
从图2、图3、图5中可以看出，对于常见的直流电压、直流电流和频率信号，继电器的引入会增加计量结果的示值误差，且随着指示值的增大，误差增加值显著减小，即影响显著减小。然而，在输出小电压、小电流时，误差增加近0.1%，需要对其进行修正。对于其他校准点，通电时间以及元器件温升引起的继电器性能漂移，对最终计量结果产生的影响小于0.006%。对同一校准点的标准表示值进行10次记录后，发现其误差增加的绝对值基本保持一致，变化不大。所以，对于这三种信号，矩阵开关的引入会增加校准不确定度，在校准点数值较大时校准结果仍然符合要求，不需要对其进行修正。而在校准点数值较小时，需通过软件为其增加偏置值进行修正。
从图4可以看出，矩阵开关中，继电器的触点电阻会显著增加整体电路的线阻。通常情况下，触点电阻阻值较小，所以在小电阻的情况下，其对计量结果的影响较为明显，示值误差增加值可达8%。而在1 000 Ω以上的计量校准中，该影响可以忽略不计。在该情况下，通电时间以及元器件温升引起的继电器性能漂移，对最终计量结果产生的影响小于0.02%，示值变化在3个字以内，且校准点数值越大，影响越小。所以，矩阵开关会对过程仪表中电阻信号（包括模拟铂电阻信号）的计量产生较大影响，显著增大校准不确定度，不可直接忽略，需要通过软件对其测量结果进行修正。通过图4不难发现，对于每一个量程，矩阵开关引入的绝对误差增加量基本保持一致。所以，可以在软件系统中对此增加一个偏置值，以抵消触点电阻带来的影响。
5 结语
矩阵开关可以搭配可编程设备，实现过程仪表自动校准过程中的自动接线问题。但由于矩阵开关中继电器本身的特性，其必定会对整体电路和校准结果产生一定的影响。
本文通过实验发现，对于直流电压、直流电流、频率信号，继电器本身以及时间/温度漂移对校准点数值较大的情况影响较小，不需要额外进行修正，而对于校准点数值较小的情况，需要软件对其进行修正。对于电阻信号而言，虽然时间/温度漂移带来的影响较小，但继电器本身的触点电阻对于计量结果的影响较大，无法直接忽略。由于误差变化量基本相同，系统需要通过软件手段对结果进行修正，再应用于校准报告中。该方法和实验可以为需要切换接线的自动校准系统提供参考。
