测试仪器基础应用知识总结（二）：故障诊断方法

一、仪器仪表电路故障诊断方法

　　仪器仪表电路维修在电子类的公司里从来都是*的一部分。因为只有通过它才能让原本不合格的产品zui终出厂。然而，维修也是电子公司中zui为复杂的一部分。因为它不仅要运用到许多电子专业知识，有时也需要有丰富的现场经验。下面就我个人多年来总结的维修经验与感兴趣的朋友分享一下。

　　1、敲击手压法

　　经常会遇到仪器运行时好时坏的现象，这种现象绝大多数是由于接触不良或虚焊造成的。对于这种情况可以采用敲击与手压法。

　　所谓的“敲击”就是对可能产生故障的部位，通过小橡皮鎯头或其他敲击物轻轻敲打插件板或部件，看看是否会引起出错或停机故障。所谓“手压”就是在故障出现时，关上电源后对插的部件和插头和座重新用手压牢，再开机试试是否会消除故障。如果发现敲打一下机壳正常，再敲打又不正常时，先将所有接头重插牢再试，若伤脑筋不成功，只好另想办法了。

　　2、观察法

　　利用视觉、嗅觉、触觉。某些时候，损坏了的元件会变色、起泡或出现烧焦的斑点；烧坏的器件会产生一些特殊的气味；短路的芯片会发烫；用肉眼也能观察到虚焊或脱焊处。

　　3、排除法

　　所谓的排除法是通过拔插机内一些插件板、器件来判断故障原因的方法。当拔除某一插件板或器件后仪表恢复正常，就说明故障发生在那里。

　　4、替换法

　　要求有两台同型号的仪器或有足够的备件。将一个好的备品与故障机上的同一元器件进行替换，看故障是否消除。

　　5、对比法

　　要求有两台同型号的仪表，并有一台是正常运行的。使用这种方法还要具备必要的设备，例如，万用表、示波器等。按比较的性质分有，电压比较、波形比较、静态阻抗比较、输出结果比较、电流比较等。

　　具体方法是：让有故障的仪表和正常仪表在相同情况下运行，而后检测一些点的信号再比较所测的两组信号，若有不同，则可以断定故障出在这里。这种方法要求维修人员具有相当的知识和技能。

　　6、升降温法

　　有时，仪表工作较长时间，或在夏季工作环境温度较高时就会出现故障，关机检查正常，停一段时间再开机又正常，过一会儿又出现故障。这种现象是由于个别IC或元器件性能差，高温特性参数达不到指标要求所致。为了找出故障原因，可采用升降温法。

　　所谓降温，就是在故障出现时，用棉纤将*在可能出故障的部位抹擦，使其降温，观察故障是否消除。所谓升温就是人为地将环境温度升高，比如用电烙铁放近有疑点的部位（注意切不可将温度升得太高以致损坏正常器件）试看故障是否出现。

　　7、骑肩法

　　骑肩法也称并联法。把一块好的IC芯片安在要检查的芯片之上，或者把好的元器件（电阻电容、二极管、三极管等）与要检查的元器件并联，保持良好接触，如果故障出自于器件内部开路或接触不良等原因，则采用这种方法可以排除。

　　8、电容旁路法

　　当某一电路产生比较奇怪的现象，例如显示器混乱时，可以用电容旁路法确定大概出故障的电路部分。将电容跨接在IC的电源和地端；对晶体管电路跨接在基极输入端或集电极输出端，观察对故障现象的影响。如果电容旁路输入端无效而旁路它的输出端时故障现象消失，则确定故障就出现在这一级电路中。

　　9、状态调整法

　　一般来说，在故障未确定前，不要随便触动电路中的元器件，特别是可调整式器件更是如此，例电位器等。但是如果事先采取复参考措施（例如，在未触动前先做好位置记号或测出电压值或电阻值等），必要时还是允许触动的。也许改变之后有时故障会消除。

　　10、隔离法

　　故障隔离法不需要相同型号的设备或备件作比较，而且安全可靠。根据故障检测流程图，分割包围逐步缩小故障搜索范围，再配合信号对比、部件交换等方法，一般会很快查到故障之所在。

　　二、电子秤传感器常见问题维护

　　目前在国内的电子秤传感器常见问题维护是根据大多采用电阻应变式称重传感器原理，其应用也越来越普遍电子秤具有称量快速、显示直观、不易磨损等优点，已逐渐取代机械秤。电子秤主要有承重传力系统、称重传感器和显示仪表组成。常用的电阻应变式称重传感器的工作原理是弹性体在外力的作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片也随同发生变形，电阻应变片变形后，它的阻值发生变化，由于应变片是连接成平衡电桥式的，应变片电阻值的变化会引起电桥的不平衡，从面输出信号，这样就完成了将外力变换为信号的过程。

　　电子秤出现以下几种现象，需怀疑是称重传感器的故障：

　　（1）电子秤不显示零，显示屏不断闪烁。

　　（2）电子秤显示零以后，在加放砝码，不显示称量数字。

　　（3）电子秤称量不准确，显示的称量数字与加放的砝码数量不一致。

　　（4）电子秤重复性不好，加放同一砝码，有时称量准确，有时称量不准确。

　　（5）电子秤空载或加载时，显示的数字不稳定，漂移或者跳变。

　　这几种现象都有可能是称重传感器的故障。如果能够准确判断出故障是在传感器，这样就能大大提高工作效率，加快电子秤修理的速度。将需要判断的传感器从系统中单独摘除，分别测量输入阻抗、输出阻抗。输入阻抗正常值为380Ω，输出阻抗正常值为350Ω，如果测量数据不在此范围内，该传感器已经损坏。如输入阻抗、输出阻抗有断路，可先检查传感器信号电缆有无断开的地方，当信号电缆完好时，则为传感器应变片被烧毁，通常是因为有大电流进入传感器造成的。当测量输入阻抗、输出阻抗阻值不稳定时，可能为信号线绝缘层破裂，绝缘性能下降，或传感器受潮，使桥路同弹性体绝缘不好。传感器的零点输出信号值，一般在（-3mv～2mv）之间。如果远远超出此标准范围，可能是传感器使用中过载而造成弹性体塑性变形，使传感器无法使用。如无零点信号或零点输出信号很小，可能为称重传感器内的应变片已从弹性体上脱落或有支撑物支撑秤体造成。

　　三、利用热电偶和ADC实现高精度温度测量

　　热电偶广泛用于各种温度检测。热电偶设计的进展，以及新标准和算法的出现，大大扩展了工作温度范围和精度。目前，温度检测可以在-270°C至+1750°C宽范围内达到±0.1°C的精度。为充分发挥新型热电偶能力，需要高分辨率热电偶温度测量系统。能够分辨极小电压的低噪声、24位、Σ-Δ模/数转换器（ADC）非常适合这项任务。数据采集系统（DAS）采用24位ADC评估（EV）板，热电偶能够在很宽的温度范围内实现温度测量。热电偶、铂电阻温度检测器（PRTD）和ADC相结合，可构成高性能温度测量系统。采用低成本、低功耗ADC的DAS系统，可理想满足便携式检测的应用需求。

　　热电偶入门

　　托马斯•塞贝克在1822年发现了热电偶原理。热电偶是一种简单的温度测量装置，由两种不同金属（金属1和金属2）组成（图1）。塞贝克发现不同的金属将产生不同的、与温度梯度有关的电势。如果这些金属焊接在一起构成温度传感器结（TJUNC，也称为温度结），另一端未连接的差分结（TCOLD，作为恒温参考端）上将呈现出电压，VOUT，该电压与焊接结的温度成正比。从而使热电偶输出随温度变化的电压/电荷，无需任何电压或电流激励。

　　图1. 热电偶简化电路

　　VOUT温差（TJUNC - TCOLD）是金属1及金属2的金属类型的函数。该函数在美国国家标准与技术研究院（NIST） ITS-90热电偶数据库［1］中严格定义，覆盖了绝大多数实用金属1和金属2组合。利用该数据库，可根据VOUT测量值计算相对温度TJUNC。然而，由于热电偶以差分方式测量TJUNC，为了确定温度结的实测温度，就必须知道冷端温度（单位为°C、°F或K）。所有现代热电偶系统都利用另一温度传感器（PRTD、硅传感器等）精密测量冷端温度，并进行数学补偿。

　　图1所示热电偶简化电路的温度公式为：

　　Tabs = TJUNC + TCOLD（式1）

　　式中：

　　Tabs为温度结的温度；

　　TJUNC为温度结与基准冷端的相对温度；

　　TCOLD为冷端参考端的温度。

　　热电偶的类型各种各样，但是针对具体的工业或医疗环境可以选择的异金属对儿。这些金属和/或合金组合被NIST及电工委员会标准化，简写为E、J、T、K、N、B、S、R等。NIST和IEC为常见的热电偶类型提供了热电偶参考表［1］。

　　NIST和IEC还为每种热电偶类型开发了标准数学模型。这些幂级数模型采用*的系数组合，每种热电偶类型及不同温度范围的系数都不同［1］。

　　表1所示为部分常见热电偶类型（J、K、E和S）的例子。

　　表1. 常见的热电偶类型 Thermocouple TypePositive ConductorNegative ConductorTemperature Range （°C）Seebeck Coefficient at +20°C

　　JChromelConstantan0 to 76051µV/°C

　　KChromelAlumel-200 to +137041µV/°C

　　EChromelConstantan-100 to +100062µV/°C

　　SPlatinum （10% Rhodium）Rhodium0 to 17507µV/°C

　　J型热电偶具有相对较高的塞贝克系数、高精度和低成本，应用广泛。这些热电偶使用相对简单的线性化算法，即可达到±0.1°C的测量精度。

　　K型热电偶覆盖的温度范围宽，在工业测量领域的应用非常广泛。这些热电偶具有适中的高塞贝克系数、低成本及良好的抗氧化性。K型热电偶的精度高达±0.1°C。

　　E型热电偶的应用没有其它类型热电偶普及。然而，这组热电偶的塞贝克系数zui高。E型热电偶所需的测量分辨率低于其它类型。E型热电偶的测量精度可达到±0.5°C，需要的线性化计算方法相对复杂。

　　S型热电偶由铂和铑组成，这对组合能够在非常高的氧化环境下实现稳定、可复现的测量。S型热电偶的塞贝克系数较低，成本相对较高。S型热电偶的测量精度可达到±1°C，需要的线性化算法相对复杂。

　　应用示例

　　热电偶电路设计包括具有差分输入及能够分辨微小电压的高分辨率ADC、稳定的低漂移基准，以及准确测量冷端温度的方法。

　　图2所示为简化原理图。MX7705是一款16位、Σ-Δ ADC，内置可编程增益放大器（PGA），无需外部精密放大器，能够分辨来自热电偶的微伏级电压。冷端温度利用MAX6627远端二极管传感器以及位于热电偶连接器处、连接成二极管的晶体管测量。MX7705的输入共*围扩展至低于地电势30mV，可实现有限的负温度范围［2］。

　　图2. 热电偶测量电路。MX7705测量热电偶输出，MAX6627和外部晶体管测量冷端温度，MAX6002为MX7705提供2.5V精密电压基准。

　　也有针对具体应用设计的IC，用于热电偶信号调理。这些IC集成本地温度传感器、精密放大器、ADC和电压基准。例如，MAX31855为冷端补偿热电偶至数字转换器，可数字化K、J、N、T或E型热电偶信号。MAX31855以14位（0.25°C）分辨率测量热电偶温度（图3）。

　　图3. 集成冷端温度补偿的ADC，转换热电偶电压时无需外部补偿。

　　误差分析

　　冷端补偿

　　热电偶为差分传感器，利用温度结和冷端之间的温差产生输出电压。根据式1，只有精密测得冷端温度（TREF）时，才能得到温度结的温度（Tabs）。

　　可利用新型铂RTD （PRTD）测量冷端温度。它在很宽的温度范围内提供良好的性能，尺寸小、功耗低，成本非常合理。

　　图4所示为精密DAS的简化原理图，采用了MAX11200 （24位、Σ-Δ ADC）评估（EV）板，可实现热电偶温度测量。本例中，利用R1 - PT1000 （PTS 1206，1000Ω）测量冷端温度。该解决方案能够以±0.30°C或更高精度测量冷端温度［3］。

　　图4. 热电偶DAS简化图

　　如图4所示，MAX11200的GPIO设置为控制精密多路复用器MAX4782，它选择热电偶或PRTD R1 - PT1000。该方法可利用单个ADC实现热电偶或PRTD的动态测量。提高了系统精度，降低校准要求。

　　非线性误差

　　热电偶为电压发生装置。但是，大多数常见热电偶［2，4］的输出电压作为温度的函数呈现非常高的非线性。

　　图4和图5中说明，如果没有经过适当补偿，常见的工业K型热电偶的非线性误差会超过数十摄氏度。

　　图5. K型热电偶的输出电压和温度关系图。曲线在-50°C至+350°C范围内线性度较好；在低于-50°C和高于+350°C时，相对于线性度存在明显偏差。［1］

　　图6. 相对于直线逼近的偏差，假设线性输出为从-50°C至+350°C，平均灵敏度为k = 41µV/°C。［1］

　　IEC采用的NIST ITS-90等现代热电偶标准化处理、查找表和公式数据库［1］，是当前系统间互换热电偶类型的基础。通过这些标准，热电偶很容易由相同或不同制造商的其它热电偶所替代，而且经过zui少的系统设计更新或校准即可确保性能指标。

　　NIST ITS-90热电偶数据库提供了详细的查找表。通过使用标准化多项式系数［1］，还可利用多项式在非常宽的温度范围内将热电偶电压换算成温度（°C）。

　　根据NIST ITS-90热电偶数据库，多项式系数为：

　　T = d0 + d1E + d2E² + 。.. dNEN（式2）

　　式中：

　　T为温度，单位为°C；

　　E为VOUT，热电偶输出，单位为mV；

　　dN为多项式系数，每一热电偶的系数是*的；

　　N = 多项式的zui大阶数。

　　表2所示为一个K型热电偶的NIST （NBS）多项式系数。

　　表2. K型热电偶系数 Type-K Thermocouple Coefficients

　　Temperature Range （°C）-200 to 00 to 500500 to 1372

　　Voltage Range （mV）-5.891 to 00 to 20.64420.644 to 54.886

　　Coefficients

　　d00.0000000E+000.0000000E+00-1.3180580E+02

　　d12.5173462E+012.5083550E+014.8302220E+01

　　d2-1.1662878E+007.8601060E+02-1.6460310E+00

　　d3-1.0833638E+00-2.5031310E-015.4647310E-02

　　d4-8.9773540E-018.3152700E-02-9.6507150E-04

　　d5-3.7342377E-01-1.2280340E-028.8021930E-06

　　d6-8.6632643E-029.8040360E-04-3.1108100E-08

　　d7-1.0450598E-024.4130300E-05—

　　d8-5.1920577E-041.0577340E-06—

　　d9—-1.0527550E-08—

　　Error Range （°C）-0.02 to 0.04-0.05 to 0.04-0.05 to 0.06

　　利用表2中的多项式系数，能够在-200°C至+1372°C温度范围内以优于±0.1°C的精度计算温度T。大多数常见热电偶都有不同系数表可用［1］。

　　同样，在-200°C至0、0至+500°C和+500°C至+1372°C温度范围也可以找到类似的NIST ITS-90系统，能够以更高精度（低于±0.1°C，相对于±0.7°C）计算温度。与原来的“单”间隔表进行比较即可看出这点［2］。
 

　　ADC规格参数/分析

　　表3所示为MAX11200的基本性能指标，具有图4中所示的电路特性。

　　表3. MAX11200的主要技术指标 MAX11200Comments

　　Sample Rate （sps）10 to 120The MAX11200‘s variable oversampling rate can be optimized for low noise and for -150dB line-noise rejection at 50Hz or 60Hz.

　　Channels1GPIOs allow external multiplexer control for multichannelmeasurements.

　　INL （ppm， max）±10Provides very good measurement linearity.

　　Offset Error （µV）±1Provides almost zero offset measurements.

　　Noise-Free Resolution （Bits）19.0 at 120sps; 19.5 at 60sps; 21.0 at 10spsVery high dynamic range with low power.

　　VDD （V）AVDD （2.7 to 3.6）

　　DVDD （1.7 to 3.6）AVDD and DVDD ranges cover the industry’s popular power-supply ranges.

　　ICC （µA， max）300Highest resolution per unit power in the industry; ideal for portable applications.

　　GPIOsYesAllows external device control， including local multiplexer control.

　　Input Range0 to VREF， ±VREFWide input ranges

　　Package16-QSOP，

　　10-µMAX® （15mm²）Some models like the MAX11202 are offered in a 10-µMAX package—a very small size for space-constrained designs.

　　本文中使用的MAX11200是一款低功耗、24位、Σ-Δ ADC，适合于需要宽动态范围、高分辨率的低功耗应用。利用该ADC，基于式3和4可计算图3电路的温度分辨率。

　　（式3）

　　（式4）

　　式中：

　　Rtlsb为热电偶在1 LSB时的分辨率；

　　Rtnfr为热电偶无噪声分辨率（NFR）；

　　VREF为基准电压；

　　Tcmax为测量范围内的热电偶zui大温度；

　　Tcmin为测量范围内的热电偶zui小温度；

　　Vtmax为测量范围的热电偶zui大电压；

　　Tcmax为测量范围内的热电偶zui小电压；

　　FS为ADC满幅编码，对于双极性配置的MAX11200为（223-1）；

　　NFR为ADC无噪声分辨率，对于双极性配置的MAX11200为（220-1），10Sa/s时。

　　表4所列为利用式3和4计算表1中K型热电偶的测量分辨率。

　　表4. K型热电偶在不同温度范围内的测量分辨率 Temperature Range （°C）-200 to 00 to 500500 to 1372

　　Voltage Range （mV）-5.89120.64434.242

　　Rtlsb Resolution （°C/LSB）0.01210.00870.0091

　　Rtnfr Resolution （°C/NFR）0.09710.06930.0729

　　表4中提供了每个温度范围内的°C/LSB误差和°C/NFR误差计算值。无噪声分辨率（NFR）表示ADC能够可靠区分的zui小温度值。对于整个温度范围，NFR值低于0.1°C，对于工业和医疗应用中的大多数热电偶远远足够。

　　热电偶与MAX11200评估板的连接

　　MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。评估板可帮助设计工程师快速完成项目开发，例如验证图4所示解决方案。

　　在图4所示原理图中，常见的K型OMEGA热电偶（KTSS-116 ［5］）连接至差分评估板输入A1。利用Maxim应用笔记4875中介绍的高性价比比例方案，测量冷端温度的值［3］。R1 （PT1000）输出连接至评估板输入A0。MAX11200的GPIO控制精密多路复用器MAX4782，复用器动态选择将热电偶或PRTD R1输出连接至MAX11200的输入。

　　K型热电偶（图3、4）在-50°C至+350°C范围内的线性度适当。对于有些不太严格的应用，线性逼近公式（式5）能大大降低计算量和复杂度。

　　近似温度可计算为：

　　（式5）

　　式中：

　　E为实测热电偶输出，单位为mV；

　　Tabs为K型热电偶的温度，单位为°C；

　　Tcj为PT1000实测的热电偶冷端温度，单位为°C ［3］；

　　Ecj为利用Tcj计算得到的冷端热电偶等效输出，单位为mV。

　　所以：

　　k = 0.041mV/°C——从-50°C至+350°C范围内的平均灵敏度

　　然而，为了在更宽的温度范围（-270°C至+1372°C）内精密测量，强烈建议采用多项式（式2）和系数（根据NIST ITS-90）：

　　Tabs = ƒ（E + Ecj）（式6）

　　式中：

　　Tabs为K型热电偶的温度，单位为°C；

　　E为实测热电偶输出，单位为mV；

　　Ecj为利用Tcj计算得到的冷端热电偶等效输出，单位为mV；

　　f为式2中的多项式函数；

　　TCOLD为PT1000实测的热电偶的冷端温度，单位为°C。

　　图7所示为图4的开发系统。该系统包括经认证的精密校准器，Fluke®-724，作为温度模拟器代替K型OMEGA热电偶。

　　详细图片（PDF， 3.1MB）

　　图7. 图4开发系统

　　Fluke-724校准器提供与K型热电偶在-200°C至+1300°C范围内输出相对应的精密电压，送至基于PT1000的冷端补偿模块。基于MAX11200的DAS动态选择热电偶或PRTD测量值，并通过USB端口将数据送至笔记本计算机。专门开发的DAS软件采集并处理热电偶和PT1000输出产生的数据。

　　表5列出了-200°C至+1300°C温度范围内的测量和计算值，采用式5和6。

　　表5. -200°C至+1300°C范围的测量计算 Temperature （Fluke-724） （°C）PT1000 Code Measured at “Cold Junction” （LSB）Thermocouple Code Adjusted to 0°C by PT1000 Measurements （LSB）Temperature Calculated by Equation 6 and Table 2 （°C）Temperature Error vs. Calibrator （°C）Temperature Calculated by “Linear” Equation 5 （°C）

　　-200326576-16463-199.720.28-143.60

　　-100326604-9930-99.920.08-86.62

　　-50326570-5274-50.28-0.28-46.01

　　032655360.000.000.05

　　20326590225720.190.1919.68

　　10032658311460100.020.0299.96

　　20032648622779200.180.18198.69

　　50032641457747500.160.16503.70

　　10003265201154381000.180.181006.92

　　13003265441465621300.090.091278.40

　　如表5所示，利用式6，基于MAX11200的DAS系统在非常宽的温度范围内可达到±0.3°C数量级的精度。式5中的线性逼近法在很窄的-50°C至+350°C范围内仅能实现1°C至4°C的精度。

　　注意，式6需要相对复杂的线性化计算算法。

　　大约十年之前，在DAS系统设计中实现此类算法会受到技术和成本的限制。当今的现代化处理器速度快、性价比高，解决了这些难题。
 

　　总结

　　zui近几年，适用于-270°C至+1750°C温度范围的高性价比、热电偶温度检测技术取得较大进展。在改进温度测量和范围的同时，成本也更加合理，功耗更低。

　　如果ADC和热电偶直接连接，这些基于热电偶的温度测量系统需要低噪声ADC （如MAX11200）。热电偶、PRTD和ADC集成至电路时，能够实现非常适用于便携式检测应用的高性能温度测量系统。

　　MAX11200具有较高的无噪声分辨率、集成缓冲器和GPIO驱动器，可直接连接任何传统的热电偶及高分辨率PRTD （如PT1000），无需额外的仪表放大器或电流源。更少的接线和更低的热误差进一步降低系统复杂性和成本，使设计者能够实现DAS与热电偶及冷端补偿模块的简单接口。

　　四、常见液位计的种类及应用

　　液位计接触式测量

　　接触式测量是从钢带浮子液位计为开端，以各种方式测量浮子距离而演化到各种现代化仪表如伺服式、磁致伸缩式等等热电技术，钢带浮子式：zui早期的液位计，现今都面临着更新换代。

　　浮子受浮力浮在介质表面，通过变速齿轮到有刻度的钢带上读出液位值，液位上升或下降破了力平衡后，浮子也跟随上升下降，带动钢带运行。理论精度在2-3mm左右，电厂锅炉、汽轮机、电气、热控、水处理等热电行业技术免费交流平台！ 安装复杂，可靠性较低，由于机械部件多，很容易发生钢带卡死不动的情况。

　　磁致伸缩型

　　探棒上端电子部件产 生低压电流脉冲，开始计时，产生磁场沿磁致伸缩线向下传播，浮子随着液位变化沿测量竿上下移动，浮子内有磁铁，也产生磁场，两个磁场相遇，磁致伸缩线扭曲形成扭应力波脉冲，脉冲速度已知，计算脉冲传播时间即对应液位变化。

　　精度zui高能够达到1mm，磁致伸缩液位精度较高，可测油水分界面但由于其接触的测量方式和较高的安装、维护要求导致市场普及不广。

　　由于其受介质密度和温度影响很大，所以常常精度比较差，而为消除这些影响，需要很多其他测试仪表，结果搭建一套完善的静压测量系统价格很高。

　　伺服式液位计

　　伺服式液位计是zui近比较成功的新型液位计，主要应用在轻油品的高精度测量中。与雷达液位计形成比较强的竞争。 基本原理同钢带式液位计，但具有的力传感器以及伺服系统，形成闭环调节系统，通过考虑钢带自身重力，地调节浮子高度以达到平衡浮力和重力，得到的当前液面到罐顶高度，以得到液位值。热电技术联盟精度高，能够达到1mm，满足计量级要求使用于平静的轻质无腐蚀性液体。

　　静压式液位计

　　静压式液位计比较特殊，其利用均匀液体的压强与高度成正比的关系通过测量液体底部的压力来折算液位高度。

　　P=ρgh （P 压强）