溫濕度試驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)檢定/校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制

溫濕度試驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)檢定/校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制
福建省計(jì)量科學(xué)技術(shù)研究所 林軍
溫濕度試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)是近十幾年來迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)重要的計(jì)量校準(zhǔn)項(xiàng)目，是不少計(jì)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(yàn)設(shè)備自動(dòng)檢定/校準(zhǔn)系統(tǒng)，經(jīng)過多年對(duì)溫濕度試驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)檢定/校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件、軟件的不斷升級(jí)，逐漸積累了一些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，在此與大家共同分享，希望能對(duì)類似自動(dòng)檢定系統(tǒng)的開發(fā)有所幫助。
一、 系統(tǒng)的組成
自動(dòng)檢定/校準(zhǔn)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(jī)）組成，如圖1所示。



自動(dòng)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(lán)牙（Bluetooth）或其他通訊方式和智能手機(jī)（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(jī)的普及，使用智能手機(jī)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(cè)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(zhǔn)設(shè)備的性能
為直觀反映被校準(zhǔn)設(shè)備的初步性能，我們采用實(shí)時(shí)描繪曲線的方式，這樣可以直觀的反映被校準(zhǔn)設(shè)備的溫度、濕度波動(dòng)情況，根據(jù)曲線的離散程度，可以直觀的反映被校準(zhǔn)設(shè)備的均勻度，可以通過曲線直觀判斷被校設(shè)備是否達(dá)到平衡，是否可以開始記錄數(shù)據(jù)等等。為區(qū)分每個(gè)通道對(duì)應(yīng)的曲線，我們采用不同顏色進(jìn)行標(biāo)記，并且可以隨時(shí)更改每個(gè)通道曲線的顏色。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多達(dá)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中我們通常選用A級(jí)的Pt100或Pt1000鉑電阻作為感溫元件，但即使是A級(jí)的鉑電阻在100℃時(shí)的誤差也允許達(dá)到±0.35℃（Pt100鉑電阻允許誤差列表如下），因此在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中對(duì)傳感器及儀表進(jìn)行修正是必要的。
工業(yè)鉑熱電阻級(jí)別 測(cè)量范圍 0℃的標(biāo)準(zhǔn)電阻值 溫度允許誤差（℃）
A級(jí) -200℃～850℃ 100Ω ±（0.15+0.002|t|）
B級(jí) -200℃～850℃ 100Ω ±（0.30+0.005|t|）


在送檢自動(dòng)檢定系統(tǒng)時(shí)，我們通常采用傳感器加儀表整體校準(zhǔn)的方式進(jìn)行校準(zhǔn)。在系統(tǒng)軟件中我們?cè)O(shè)計(jì)了“系統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)模塊”對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)將傳感器放置在水槽或油槽中，溫度平衡后系統(tǒng)自動(dòng)讀取所有傳感器數(shù)值，輸入標(biāo)準(zhǔn)器實(shí)際值，通過對(duì)不同溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，系統(tǒng)即可自動(dòng)產(chǎn)生不同溫度下的修正值保存在數(shù)據(jù)庫中。在檢測(cè)過程中，自動(dòng)檢定系統(tǒng)將根據(jù)傳感器的編號(hào)自動(dòng)調(diào)用、計(jì)算當(dāng)前溫度下的修正值，從而保證了自動(dòng)檢定結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。
3) 原始記錄及證書自動(dòng)生成的問題
自動(dòng)檢定系統(tǒng)可以自動(dòng)生成滿足實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可要求的原始記錄及證書，但由于每個(gè)單位的證書格式、信息內(nèi)容有所差別，為了使每個(gè)單位都可以根據(jù)自己的習(xí)慣對(duì)原始記錄及證書格式進(jìn)行調(diào)整，我們采用數(shù)據(jù)庫方式，將原始記錄信息所對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的信息填入到新的位置里，實(shí)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(duì)濕度準(zhǔn)確測(cè)量的問題
溫度測(cè)量技術(shù)相對(duì)成熟，但在相對(duì)濕度測(cè)量領(lǐng)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(cè)量相對(duì)濕度，通過對(duì)風(fēng)速、氣壓等參數(shù)的修正得到相對(duì)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(fēng)速能達(dá)到2.5m/s，測(cè)量準(zhǔn)確度收到一定限制；②現(xiàn)場(chǎng)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(duì)濕度比較低的環(huán)境下，干濕球法無法準(zhǔn)確測(cè)量。因此通過多年的選擇，我們最終選用國(guó)外進(jìn)口的溫濕度傳感器（相對(duì)濕度測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到±1.0％），通過采集其提供的數(shù)字信號(hào)，保證傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度，避免了A/D轉(zhuǎn)換的誤差。
5) 熱電偶冷端溫度準(zhǔn)確測(cè)量的問題
在箱式電阻爐、工業(yè)退火爐等高溫爐窯的檢測(cè)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(jìn)行檢測(cè)時(shí)冷端溫度測(cè)量準(zhǔn)確與否對(duì)整個(gè)測(cè)量結(jié)果的是否準(zhǔn)確是至關(guān)重要的。因此我們采用了四線制Pt100為傳感器，測(cè)量準(zhǔn)確優(yōu)于±0.05℃，在溫度數(shù)據(jù)采集器接線端設(shè)計(jì)了一個(gè)密封的恒溫區(qū)，保證冷端溫度相對(duì)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(cè)量可以方便的將冷端溫度傳感器拉長(zhǎng)，減少了補(bǔ)償導(dǎo)線的使用，且測(cè)量準(zhǔn)確可靠。
6) 傳感器如何進(jìn)行方便、快捷的連接
在溫場(chǎng)校準(zhǔn)過程中，一項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)檢測(cè)任務(wù)不大的單位；第二種方式采用12芯快速接插件（如圖1），一個(gè)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(chǎng)檢測(cè)的工作效率，而且當(dāng)有傳感器損壞時(shí)，也容易查找、更換。
7) 現(xiàn)場(chǎng)傳感器難收拾的問題
在溫場(chǎng)校準(zhǔn)過程中，另一項(xiàng)比較繁瑣的工作就是由于傳感器引線比較長(zhǎng)，檢測(cè)過程中有時(shí)象一團(tuán)亂麻，難以收拾。我們與生產(chǎn)耐高溫導(dǎo)線的廠家聯(lián)系，定制了三種雙色四芯線專用作溫場(chǎng)檢測(cè)用的引線，防止在使用的時(shí)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(jī)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(gè)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(zhǔn)過的設(shè)備保存在數(shù)據(jù)庫中，周期檢測(cè)時(shí)不需要輸入樣品信息，減少了工作量，節(jié)省了寶貴的時(shí)間。
² 為提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的工作效率，系統(tǒng)可以同時(shí)描繪多臺(tái)被校設(shè)備的曲線外，還可以同時(shí)對(duì)兩臺(tái)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，互不干擾。
² 在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(shí)（定時(shí)）自動(dòng)檢測(cè)或循環(huán)自動(dòng)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)沒有電源的問題，我們?cè)O(shè)計(jì)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(shí)以上，方便現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。
² 考慮到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器需要具有輕便，易攜帶，不怕振動(dòng)等特點(diǎn)，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(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在方便攜帶的同時(shí)也提高了儀器的可靠性。
三、 系統(tǒng)的應(yīng)用
該自動(dòng)檢定/校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的主要用于恒溫恒濕箱(房)、高低溫試驗(yàn)箱，干燥箱，培養(yǎng)箱，水泥養(yǎng)護(hù)箱，水浴鍋，冰箱、冷庫，箱式電阻爐，高溫定炭爐……等溫濕度試驗(yàn)設(shè)備的溫度、相對(duì)濕度參數(shù)的檢定或校準(zhǔn)。由于該系統(tǒng)實(shí)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(yīng)用于一下方面：
1) 應(yīng)用于研究、開發(fā)產(chǎn)品過程中對(duì)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(dǎo)出到excel表格的功能，因此，用戶可以靈活的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。
2) 應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)GMP認(rèn)證對(duì)試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)記錄、處理等方面。
3) 應(yīng)用于電工電子行業(yè)的電器設(shè)備、電路板、變壓器等的溫升實(shí)驗(yàn)。計(jì)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(jié)束語
該系統(tǒng)與國(guó)內(nèi)外類似的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)相比，具有體積小、重量輕、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，由于軟硬件開發(fā)人員具有多年的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，在軟件、硬件開發(fā)過程中，始終從方便檢測(cè)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(chǎng)檢測(cè)習(xí)慣等特點(diǎn)。系統(tǒng)研制、完善的過程中，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院等計(jì)量院所相關(guān)人員提出了許多寶貴意見，此表示感謝。