溫濕度試驗設備自動檢定/校準系統(tǒng)的研制

溫濕度試驗設備自動檢定/校準系統(tǒng)的研制
福建省計量科學技術研究所 林軍
溫濕度試驗設備的校準是近十幾年來迅速發(fā)展起來的一項重要的計量校準項目，是不少計量院所熱工或理化專業(yè)收入的重要來源。由于工作量大、數(shù)據(jù)處理繁雜，我們于1997年開始研制溫濕度試驗設備自動檢定/校準系統(tǒng)，經(jīng)過多年對溫濕度試驗設備自動檢定/校準系統(tǒng)硬件、軟件的不斷升級，逐漸積累了一些經(jīng)驗和體會，在此與大家共同分享，希望能對類似自動檢定系統(tǒng)的開發(fā)有所幫助。
一、 系統(tǒng)的組成
自動檢定/校準系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器、濕度傳感器、筆記本電腦（或掌上電腦PDA或智能手機）組成，如圖1所示。



自動檢定系統(tǒng)可以通過RS-232或USB端口與筆記本電腦連接，也可以使用無線藍牙（Bluetooth）或其他通訊方式和智能手機（或掌上電腦）連接，系統(tǒng)組成方便靈活。特別是隨著智能手機的普及，使用智能手機作為數(shù)據(jù)顯示、記錄、處理將變得越來越方便、流行。數(shù)據(jù)采集器可以根據(jù)用戶要求堆棧式疊加在一起，滿足幾十通道的測量要求。
二、軟硬件系統(tǒng)解決的問題及方案

1) 直觀反映被校準設備的性能
為直觀反映被校準設備的初步性能，我們采用實時描繪曲線的方式，這樣可以直觀的反映被校準設備的溫度、濕度波動情況，根據(jù)曲線的離散程度，可以直觀的反映被校準設備的均勻度，可以通過曲線直觀判斷被校設備是否達到平衡，是否可以開始記錄數(shù)據(jù)等等。為區(qū)分每個通道對應的曲線，我們采用不同顏色進行標記，并且可以隨時更改每個通道曲線的顏色。系統(tǒng)設計了多達20條曲線，以滿足多通道溫度、濕度曲線的記錄要求。（如圖2）

2) 傳感器及數(shù)據(jù)采集器的修正問題
在自動檢測系統(tǒng)中我們通常選用A級的Pt100或Pt1000鉑電阻作為感溫元件，但即使是A級的鉑電阻在100℃時的誤差也允許達到±0.35℃（Pt100鉑電阻允許誤差列表如下），因此在自動檢測系統(tǒng)中對傳感器及儀表進行修正是必要的。
工業(yè)鉑熱電阻級別 測量范圍 0℃的標準電阻值 溫度允許誤差（℃）
A級 -200℃～850℃ 100Ω ±（0.15+0.002|t|）
B級 -200℃～850℃ 100Ω ±（0.30+0.005|t|）


在送檢自動檢定系統(tǒng)時，我們通常采用傳感器加儀表整體校準的方式進行校準。在系統(tǒng)軟件中我們設計了“系統(tǒng)自動校準模塊”對系統(tǒng)進行自動校準，校準時將傳感器放置在水槽或油槽中，溫度平衡后系統(tǒng)自動讀取所有傳感器數(shù)值，輸入標準器實際值，通過對不同溫度點進行校準，系統(tǒng)即可自動產(chǎn)生不同溫度下的修正值保存在數(shù)據(jù)庫中。在檢測過程中，自動檢定系統(tǒng)將根據(jù)傳感器的編號自動調(diào)用、計算當前溫度下的修正值，從而保證了自動檢定結果的準確可靠。
3) 原始記錄及證書自動生成的問題
自動檢定系統(tǒng)可以自動生成滿足實驗室認可要求的原始記錄及證書，但由于每個單位的證書格式、信息內(nèi)容有所差別，為了使每個單位都可以根據(jù)自己的習慣對原始記錄及證書格式進行調(diào)整，我們采用數(shù)據(jù)庫方式，將原始記錄信息所對應的excel表的位置保存在數(shù)據(jù)庫中，只要改變數(shù)據(jù)庫中所保存的excel表的位置，即可將對應的信息填入到新的位置里，實現(xiàn)用戶可以根據(jù)需要調(diào)整原始記錄及證書格式的目的。
4) 相對濕度準確測量的問題
溫度測量技術相對成熟，但在相對濕度測量領域卻經(jīng)常存在這樣或那樣的問題。早期，我們采用干濕球法測量相對濕度，通過對風速、氣壓等參數(shù)的修正得到相對濕度值。但使用干濕球法有一定的局限性,①由于沒有條件保證風速能達到2.5m/s，測量準確度收到一定限制；②現(xiàn)場使用需要包濕球紗布、需要考慮供水等問題，比較繁瑣，工作效率低；③在相對濕度比較低的環(huán)境下，干濕球法無法準確測量。因此通過多年的選擇，我們最終選用國外進口的溫濕度傳感器（相對濕度測量準確度達到±1.0％），通過采集其提供的數(shù)字信號，保證傳感器的測量準確度，避免了A/D轉換的誤差。
5) 熱電偶冷端溫度準確測量的問題
在箱式電阻爐、工業(yè)退火爐等高溫爐窯的檢測中，我們選擇K型或S型熱電偶作為傳感器。眾所周知，在使用熱電偶進行檢測時冷端溫度測量準確與否對整個測量結果的是否準確是至關重要的。因此我們采用了四線制Pt100為傳感器，測量準確優(yōu)于±0.05℃，在溫度數(shù)據(jù)采集器接線端設計了一個密封的恒溫區(qū)，保證冷端溫度相對穩(wěn)定，由于是密閉空間，受環(huán)境溫度影響小。采用四線制鉑電阻測量可以方便的將冷端溫度傳感器拉長，減少了補償導線的使用，且測量準確可靠。
6) 傳感器如何進行方便、快捷的連接
在溫場校準過程中，一項比較繁瑣的工作就是傳感器的連接。經(jīng)過多年的選擇，我們采用兩種連接方式。第一種采用歐式無紙記錄儀的標準接插件，用螺絲將傳感器固定在數(shù)據(jù)采集器上，這種方式適合于現(xiàn)場檢測任務不大的單位；第二種方式采用12芯快速接插件（如圖1），一個接插件可以連接3支四線制鉑電阻傳感器，這樣不但提高現(xiàn)場檢測的工作效率，而且當有傳感器損壞時，也容易查找、更換。
7) 現(xiàn)場傳感器難收拾的問題
在溫場校準過程中，另一項比較繁瑣的工作就是由于傳感器引線比較長，檢測過程中有時象一團亂麻，難以收拾。我們與生產(chǎn)耐高溫導線的廠家聯(lián)系，定制了三種雙色四芯線專用作溫場檢測用的引線，防止在使用的時候散亂。第一種是四線并排扁平型的，外覆一層薄的耐高溫材料；第二種是圓形，四線外覆一層薄的耐高溫材料；第三種和雙絞電線一樣由機器將四線絞在一起。這三種方式的線由于每支傳感器的線不散亂，所以比較容易收拾。另外如果采用12芯快速接插件，將3支傳感器的一端固定在一個插頭上，就更容易收拾了。
8) 軟硬件系統(tǒng)解決的其他問題
² 軟件系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫方式，將歷年校準過的設備保存在數(shù)據(jù)庫中，周期檢測時不需要輸入樣品信息，減少了工作量，節(jié)省了寶貴的時間。
² 為提高現(xiàn)場檢測的工作效率，系統(tǒng)可以同時描繪多臺被校設備的曲線外，還可以同時對兩臺設備進行校準，互不干擾。
² 在現(xiàn)場檢測過程中，經(jīng)常遇到溫度還沒有平衡卻要離開就餐的問題。在軟件系統(tǒng)中，我們通過延時（定時）自動檢測或循環(huán)自動檢測的方式解決，這樣就餐后回來只需要將傳感器收拾好即可，提高了工作效率。
² 為解決有時現(xiàn)場檢測沒有電源的問題，我們設計充電電路，采用充電電池供電，在沒有外接電源的情況下可以持續(xù)工作24小時以上，方便現(xiàn)場檢測。
² 考慮到現(xiàn)場檢測儀器需要具有輕便，易攜帶，不怕振動等特點，我們?yōu)檫@套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器專門開發(fā)了塑料模具，進行合理的結構設計，在方便攜帶的同時也提高了儀器的可靠性。
三、 系統(tǒng)的應用
該自動檢定/校準系統(tǒng)設計的目的主要用于恒溫恒濕箱(房)、高低溫試驗箱，干燥箱，培養(yǎng)箱，水泥養(yǎng)護箱，水浴鍋，冰箱、冷庫，箱式電阻爐，高溫定炭爐……等溫濕度試驗設備的溫度、相對濕度參數(shù)的檢定或校準。由于該系統(tǒng)實際上是一套多路高精度溫度、濕度數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，所以還可以應用于一下方面：
1) 應用于研究、開發(fā)產(chǎn)品過程中對溫度、濕度數(shù)據(jù)的采集、記錄、處理。由于系統(tǒng)提供所有通道記錄的溫濕度數(shù)據(jù)導出到excel表格的功能，因此，用戶可以靈活的對數(shù)據(jù)進行分析、處理。
2) 應用于醫(yī)藥行業(yè)GMP認證對試驗過程的數(shù)據(jù)記錄、處理等方面。
3) 應用于電工電子行業(yè)的電器設備、電路板、變壓器等的溫升實驗。計算指定通道之間溫差、各通道與環(huán)境溫度的差值，并描繪出直觀的曲線，直觀反映溫差的變化。
四、 結束語
該系統(tǒng)與國內(nèi)外類似的自動檢測系統(tǒng)相比，具有體積小、重量輕、穩(wěn)定性好等特點，由于軟硬件開發(fā)人員具有多年的現(xiàn)場檢測經(jīng)驗，在軟件、硬件開發(fā)過程中，始終從方便檢測人員使用的角度考慮問題，因此，軟件系統(tǒng)具有界面友好，符合現(xiàn)場檢測習慣等特點。系統(tǒng)研制、完善的過程中，中國計量科學研究院、深圳市計量質(zhì)量檢測研究院等計量院所相關人員提出了許多寶貴意見，此表示感謝。