嵌入溫場型溫度記錄儀的設計與實現(xiàn)

廖旭輝，鄭永明，徐 恒，王堯君

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

嵌入溫場型溫度記錄儀的設計與實現(xiàn)

廖旭輝，鄭永明，徐 恒，王堯君

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

針對醫(yī)療滅菌鍋、高溫消毒柜和培養(yǎng)箱等工作時需密閉操作空間的情況，采用耐高低溫沖擊的電路系統(tǒng)，研制一種投入式、微功耗、具備防水功能，能在-40～140℃環(huán)境中長時間使用的溫度記錄儀。實際應用結果表明：該溫度記錄儀測量精度高、耐溫性強、操作方便，適于食品藥品加工、醫(yī)療衛(wèi)生保障和冷鏈冷藏處理等行業(yè)的測溫應用，具有較好的應用前景。

溫度記錄儀；高溫；密閉空間；溫度校準

0 引 言

醫(yī)療滅菌鍋、高溫消毒柜、培養(yǎng)箱和干熱式烘箱等密閉型溫場設備，在食品藥品加工、醫(yī)療衛(wèi)生保障和冷鏈冷藏處理等領域有廣泛應用，為社會經(jīng)濟的發(fā)展做出了很大貢獻；但此類密閉型溫場設備的溫度檢測和校準工作現(xiàn)狀卻不容樂觀。由于密閉型溫場內(nèi)高低極限溫度測量范圍較為苛刻，目前國家計量檢測技術相關機構基本依靠進口溫度記錄儀來開展密閉溫場內(nèi)溫度檢定、校準工作?；诖?，本文設計了一種嵌入溫場型[1-2]溫度記錄儀，該儀器可在-40～140℃環(huán)境中長時間使用，能精確、快速地完成密閉型溫場的溫度檢定、校準任務。

1 系統(tǒng)概述

本文所設計的溫度記錄儀主要由測溫器、通信器和數(shù)據(jù)處理軟件3部分構成。測溫器為嵌入溫場型溫度記錄儀核心部件，以高精度PT100溫度傳感器為溫度探測單元，結合MPS430F2619控制器的微功耗技術，實現(xiàn)了寬范圍、高精度、低功耗的測溫功能。使用時先用數(shù)據(jù)處理軟件啟動測溫器的測溫功能，再置測溫器于密閉型溫場中，待測量結束后將其取出并放入通信座對應孔位處，通過USB數(shù)據(jù)通信接口將測溫器中的溫度數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理軟件，以進行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 系統(tǒng)設計

2.1 測溫器設計

2.1.1 硬件電路

測溫器硬件電路如圖1所示，采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F2619作為主控器，結合LTC3060電源管理芯片以最大限度節(jié)約電量，實現(xiàn)系統(tǒng)微功耗功能。因測溫器需工作于-40～140℃的溫場中，故系統(tǒng)選用能耐高低溫沖擊的高溫電池供電；在處理PT100信號時，考慮到高溫對電子器件造成的溫漂問題，設計選用能耐高溫的TSV912放大器和ADS1278模數(shù)轉換器作為模擬信號處理芯片，實現(xiàn)信號放大和采集功能[3-4]。LT6930為整個系統(tǒng)提供時鐘源，主控器所采集到的溫度值將保存于EEPROM存儲模塊中。

2.1.2 軟件流程

測溫器經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件設定和啟動后開始工作，具體工作過程如圖2所示。測溫器開始工作后將按照預設時間間隔對被測溫場溫度進行采集，同時把所測溫度保存于測溫器中，以供工作人員需要時調用。為盡可能節(jié)省電池能耗，系統(tǒng)通過主控器的中斷功能喚醒測溫器進行工作，其余時間整個儀器處于休眠狀態(tài)。

圖2 測溫器軟件流程圖

2.1.3 結構設計

測溫器由兩段高溫塑料和三段不銹鋼外殼組裝而成，如圖3所示。圖中，1、3、5所指材料為不銹鋼，2、4所指材料為高溫塑料，各部件之間用螺紋連接，并在結合部位采用膠圈密封，使測溫器具有防水功能。測溫電路板安裝于2、3之間，再用導線將通信信號線連接于1、3、5所指不銹鋼上，以便測量數(shù)據(jù)的傳輸[5-6]。

圖3 測溫器結構示意圖

2.2 通信座設計

通信座是測溫器和數(shù)據(jù)處理軟件進行通信的橋梁，測溫器、通信座安裝及結構設計如圖4所示。圖中，通信座體由ABS塑料制成[7]，座體上設有放置測溫器的座孔，該孔的內(nèi)徑與測溫器外徑大小相當。測溫器座孔壁上的彈性導體與測溫器的不銹鋼外壁接觸式連接，此結構可輕松安裝或取出測溫器，同時確保彈性導體能夠與測溫器上的通信電極接觸良好。座體上設置有通信轉換芯片安裝槽。

圖4 測溫器與通信座安裝結構示意圖

通信座內(nèi)部安裝有電路板，電路板上安裝有通信轉換芯片，槽口通過蓋板蓋封，蓋板上安裝有USB接口。通信轉換芯片的輸入端與彈性導體連接，彈性導體與測溫器的通信電極接觸式連接，通信轉換芯片的輸出端連接USB接口，可通過USB數(shù)據(jù)線連接數(shù)據(jù)分析裝置。

2.3 數(shù)據(jù)處理軟件設計

測溫器經(jīng)過PC端數(shù)據(jù)處理軟件設定和啟動后開始工作，并通過該軟件將測量數(shù)據(jù)轉換為有效的溫度值[8-10]。工作前，先將測溫器安裝在通信座內(nèi)，通信座與計算機通過USB數(shù)據(jù)線連接，再通過計算機溫度記錄儀數(shù)據(jù)處理軟件啟動測溫器的測溫功能；然后，取下測溫器，將測溫器放入相應的測溫場所進行溫度測量，測溫器內(nèi)的微處理器將從模數(shù)轉換器讀取PT100阻值信號并保存于EEPROM中；測溫結束后，將測溫器取出，放置于測溫器座孔內(nèi)，通信座的鋼珠和彈簧緊壓測溫器電極形成通信鏈路，然后通過USB數(shù)據(jù)線接口連接通信座和計算機，溫度記錄儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可用查表及插值算法將溫場中的溫度值計算出來。此外，根據(jù)需要，可使溫度記錄儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)自動識別不同編號的測溫器，實現(xiàn)多個測溫器同時使用，測量溫度場的溫度分布情況，計算機可用圖形和報表的方式將測溫結果輸出。

3 校準實驗結果

為驗證嵌入溫場型溫度記錄儀的測溫性能，選用溫度準確度為±0.05℃、溫場均勻度為±0.01℃的高精度恒溫油槽和無水乙醇制冷槽對記錄儀的測溫效果進行檢驗，實驗結果如表1所示。可以看出，本文介紹的嵌入溫場型溫度記錄儀在-40～-20℃的測量誤差在±0.4℃以內(nèi)、-20～20℃的測量誤差在±0.3℃以內(nèi)、20～140℃測量誤差在±0.1℃以內(nèi)，記錄儀能在-40～140℃的環(huán)境中長時間使用，且儀器無損傷。

表1 溫度記錄儀校準結果

4 結束語

本文所介紹的嵌入溫場型溫度記錄儀，適用于密封環(huán)境，特別是有電磁屏蔽的密封設備中記錄溫度的變化，如醫(yī)用滅菌鍋、隧道式烘箱、干熱烘箱等，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、操作方便等特點，尤其在高低溫極限條件下性能良好，可廣泛應用于醫(yī)療衛(wèi)生、食品、化工等行業(yè)各種溫場中溫度變化的測量、記錄和分析。

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Design and realization of embedded type temperature logger

LIAO Xu-hui，ZHENG Yong-ming，XU Heng，WANG Yao-jun
（National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

The embedded type temperature loggerwhich is waterproofand micro-power is designed for detecting temperature of the devices that are operated in a confined space，such as medical sterilization pot，heat sterilization cabinets，incubators，etc.The temperature logger is developed with test circuit system which can bear high and low temperature，and it can work in-40℃ to 140℃ environment for a long time.The results show that the high temperature logger can measure the temperature accurately for a long life，and it is easy to use in broad applications， such as， the food and drug processing， medical and health protection，refrigeration processing，an so on.

temperature logger;high temperature;confined space;temperature calibration

TH811；TP216；TH122；TB35

：A

：1674-5124（2014)06-0071-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.019

2014-04-25；

：2014-06-18

廖旭輝（1984-），男，福建三明市人，工程師，碩士，主要從事醫(yī)學計量測試工作。