溫度測量設(shè)備單機雙單元檢定裝置研究

郭曉冉，張 軍，雷正偉，華 翔，劉 福

(1.中國人民解放軍32181部隊, 石家莊 050000; 2.河北省電子信息產(chǎn)品監(jiān)督檢驗院, 石家莊 050000)

現(xiàn)有的溫度檢定裝置都是針對某種特定的溫度傳感器進行檢定[1-4]，形式上主要有兩類：一種是溫度檢定槽，另一種是溫度檢定箱。溫度檢定槽屬于液態(tài)模擬，用于接觸式溫度傳感器的檢定，例如電阻式溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器等；溫度檢定箱屬于氣態(tài)模擬，用于非接觸式溫度傳感器的檢定，主要是通過熱輻射、對流傳導(dǎo)熱量實現(xiàn)溫度傳感器的檢定[5-8]，例如紅外測溫傳感器。由于上述單機專用溫度傳感器檢定裝置體積較大，不便攜帶外出開展檢定工作，同時單機專用溫度傳感器檢定裝置能耗也較大。

本文研究設(shè)計了一種能同時滿足不同溫度傳感器檢定使用的單機雙單元溫度傳感器檢定裝置。通過分析武器裝備中配套的常見通用溫度類儀表、專用溫度儀表及鉑電阻類溫度傳感器的計量保障需求，開發(fā)了溫度測量設(shè)備單機雙單元檢定裝置。該裝置具備對裝備中常見溫度類儀表、專用測溫設(shè)備及部分鉑電阻類溫度傳感器的計量檢定能力，并可通過攜行實現(xiàn)機動計量保障、遂行計量保障。

1 計量需求分析

通過對武器裝備中溫度測量設(shè)備的技術(shù)指標分析，得出測溫設(shè)備的主要檢定參數(shù)。(1)膨脹式溫度計及溫度傳感器測量范圍：-40 ℃～100 ℃，最大允許誤差：±0.1 ℃。(2)藥溫傳感器測量范圍：-40 ℃～50 ℃，概率誤差不大于1 ℃。

該溫度檢定裝置作為通用溫度測量設(shè)備、專用溫度測量設(shè)備的計量保障裝備，能夠按照需求產(chǎn)生標準溫度，可自動完成對各類溫度測量設(shè)備及鉑電阻溫度傳感器(測量范圍：-40 ℃～100 ℃，最大允許誤差：±0.1 ℃)的檢定和校準任務(wù)，以及專用藥溫傳感器(測量范圍：-40 ℃～50 ℃，概率誤差不大于1 ℃)的檢定和校準任務(wù)。該系統(tǒng)可替代傳統(tǒng)手動檢定，提高檢定效率，減少人為誤差。主要功能如下：

1)具備對藥溫傳感器等需以氣體作為檢定介質(zhì)的專用溫度測量設(shè)備進行計量檢定、校準或測試的能力。

2)具備對玻璃液體溫度表、鉑電阻溫度表等需以液體作為檢定介質(zhì)的通用溫度測量設(shè)備進行計量檢定、校準或測試的能力。

3)具備實時測量并顯示溫度檢定箱運行參數(shù)的功能，使操作人員能直觀、方便地掌握運行狀態(tài)；并可通過遠程通訊功能，實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)通訊。

4)具備在預(yù)定的范圍內(nèi)進行溫度自動控制的功能，同時具有壓縮機過壓、過溫的自我保護功能。

2 總體設(shè)計

檢定裝置主要由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成。硬件主要為溫度檢定系統(tǒng)提供標準溫度場及溫度標準器。根據(jù)被檢溫度設(shè)備的需求不同，采用不同標準溫度場模式，針對通用溫度測量設(shè)備采用溫度檢定槽模式，針對藥溫傳感器提供溫度檢定箱模式。系統(tǒng)軟件由控制程序和檢定程序組成，能夠?qū)崟r采集與處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)計量檢定的自動化。檢定裝置可裝配于計量檢定車上，執(zhí)行機動計量保障任務(wù)。

2.1 系統(tǒng)組成

檢定裝置組成結(jié)構(gòu)見圖1，主要由溫度標準器、溫度檢定環(huán)境(包括檢定箱和檢定槽)、溫度調(diào)整控制設(shè)備、計量狀態(tài)調(diào)整控制器及配套軟件組成。

圖1 溫度檢定裝置結(jié)構(gòu)框圖

檢定裝置工作原理：將被檢溫度傳感器和溫度標準器放置于溫度檢定環(huán)境中，被檢傳感器與標準器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)線纜連接，由RS-232串行通信接口傳送至計算機，利用檢定軟件實現(xiàn)檢定工作的數(shù)據(jù)處理、分析與結(jié)果輸出。在規(guī)定的檢定點比對二者的示值誤差，從而判斷被檢傳感器的測量值是否合格。

2.2 硬件設(shè)計

檢定裝置外形如圖2。圖2中溫度標準器提供用于檢定的標準溫度值，直接用于與被測溫度設(shè)備溫度值進行比對；檢定箱和檢定槽為檢定提供恒溫的溫度場環(huán)境；溫度調(diào)整控制系統(tǒng)用于按要求實時調(diào)整所需計量點的溫度且準確控制在允許誤差的范圍內(nèi)；計量狀態(tài)調(diào)整控制器主要完成檢定箱與檢定槽的控制和切換。

圖2 溫度檢定裝置示意圖

2.2.1溫度標準器

因為溫度標準器需分別為特殊傳感器(藥溫傳感器)[9-10]和常見溫度測量設(shè)備提供標準溫度值，所以溫度標準器選型分為兩種：

一種是標準藥溫傳感器，選用的標準藥溫傳感器，概率誤差為0.1 ℃；另一種是鉑電阻溫度標準器，選用數(shù)字式鉑電阻溫度表RCY-2D，具有讀數(shù)直觀、使用方便、準確度高和抗振性能好等優(yōu)勢。

2.2.2溫度檢定設(shè)備

溫度檢定設(shè)備主要作用是提供均勻溫度場環(huán)境。根據(jù)被檢藥溫傳感器的構(gòu)造和功能，不能放在液體恒溫槽內(nèi)，因此溫度檢定環(huán)境選取兩種介質(zhì)：一種是溫度檢定箱，介質(zhì)為空氣；一種是溫度檢定槽，介質(zhì)為水。

1)溫度檢定箱

在攪拌系統(tǒng)作用下，傳熱介質(zhì)(空氣)先經(jīng)盤管蒸發(fā)器后再與加熱器進行熱交換，使導(dǎo)熱介質(zhì)升溫或降溫，混合空氣進入測試室，循環(huán)流動，直至導(dǎo)熱介質(zhì)達到設(shè)定的溫度。溫度控制器對導(dǎo)熱介質(zhì)實時進行溫度測量，其信號反饋至溫度測控系統(tǒng)，溫度測控系統(tǒng)控制調(diào)溫系統(tǒng)，進行適量的加熱和制冷，從而使測試室內(nèi)溫度達到設(shè)定的恒定溫度。

2)溫度檢定槽

在攪拌器的推動下，傳熱介質(zhì)(水)在混合區(qū)自上而下流動。先經(jīng)盤管蒸發(fā)器和加熱器進行熱交換，使工作介質(zhì)達到設(shè)定溫度點后，由攪拌器進行強烈攪動，使溫度不甚均勻的介質(zhì)充分混合，并推動介質(zhì)從底部流出，再導(dǎo)流向上進入工作區(qū)。在工作區(qū)流動過程中，要求介質(zhì)盡量減少與外界的熱交換，并具有一定的流動速度，這樣才能保證工作區(qū)介質(zhì)溫度均勻，并為高質(zhì)量溫度控制創(chuàng)造良好條件。此后介質(zhì)再進入混合區(qū)，依次作循環(huán)流動。溫度控制器的溫度傳感器置于流體之中，用于測量溫度信號，使控溫系統(tǒng)根據(jù)槽溫的變化實時控制加熱器工作，自動控制槽溫在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，達到一個動態(tài)的平衡。

3)溫度控制器

為使溫度場具備穩(wěn)定性，需選用溫度控制器。采用全進口高精度溫度控制器，其內(nèi)部可以存儲10組預(yù)設(shè)PID參數(shù)，在-100 ℃～100 ℃溫度范圍內(nèi)，能夠根據(jù)需要自動選擇最合適的PID參數(shù)進行控制。根據(jù)相關(guān)技術(shù)指標，其溫度控制穩(wěn)定性氣體達到0.1 ℃，液體達到0.01 ℃。

2.2.3溫度調(diào)整控制系統(tǒng)和計量狀態(tài)調(diào)整控制器

溫度調(diào)整控制系統(tǒng)主要由調(diào)溫設(shè)備、溫度測控設(shè)備、數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備等組成，如圖3所示。

調(diào)溫設(shè)備由制冷器、加熱器等組成；溫度測控設(shè)備由溫度控制器、鉑電阻、輔助控制電路，控制面板等組成；數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備由傳感器適配器、數(shù)據(jù)采集器組成。

計量狀態(tài)調(diào)整控制器由控制電路、冷媒控制器、管路等組成。根據(jù)被檢傳感器所需的工作介質(zhì)，發(fā)出相應(yīng)的指令給控制電路，控制電路判別槽(箱)體的實時狀態(tài)，自動切換計量工作室，完成計量任務(wù)。其特點是一套制冷機組完成兩個槽體的計量工作，提高了整機的使用效率。

圖3 溫度調(diào)整控制系統(tǒng)組成框圖

2.3 軟件設(shè)計

使用Visual Studio軟件開發(fā)，編程語言為VC++。VC++可進行數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理，能夠綜合圖形化開發(fā)平臺和標準化平臺的優(yōu)點，開發(fā)程序效率較高、可靠性好，界面設(shè)計比較靈活，而且比較容易與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)鏈接。

溫度檢定系統(tǒng)軟件的主要功能如圖4所示，軟件的主流程如圖5所示。

圖4 溫度檢定系統(tǒng)軟件功能框圖

圖5 溫度檢定系統(tǒng)軟件主流程框圖

主要基于MS com串口組件實現(xiàn)對多串口數(shù)據(jù)的讀寫操作，包括：串口狀態(tài)測試，設(shè)備控制命令發(fā)送，設(shè)備狀態(tài)查看，檢定數(shù)據(jù)的接收等操作。

針對數(shù)據(jù)保密性要求，系統(tǒng)提供身份驗證和權(quán)限管理功能。系統(tǒng)采用一次登錄技術(shù)(即一次登錄，實現(xiàn)所有功能的權(quán)限管理)實現(xiàn)對用戶權(quán)限的認證。采用基于角色的權(quán)限分配管理策略。身份驗證密碼信息以MD5密文的方式存儲。

檢定參數(shù)包括設(shè)置檢定規(guī)程，檢定點，穩(wěn)定時間，以及檢定測試人員信息，環(huán)境參數(shù)輸入等內(nèi)容，采用數(shù)據(jù)庫管理，可以減小檢定的重復(fù)工作量。

根據(jù)不同的檢定規(guī)程設(shè)計不同的數(shù)據(jù)處理算法，構(gòu)成算法庫實現(xiàn)對檢定數(shù)據(jù)的分析處理與檢定結(jié)果的判定。

數(shù)據(jù)記錄、證書和報告的輸出和打印，是檢定工作的重要內(nèi)容之一，也是數(shù)據(jù)處理及管理軟件的主要功能之一。因數(shù)據(jù)記錄、證書和報告的內(nèi)容豐富、格式復(fù)雜，傳統(tǒng)畫布式報表工具一方面不夠靈活，格式定義功能不能完全滿足系統(tǒng)需求，另一方面其操作復(fù)雜，代碼編寫工作量大，調(diào)試測試周期長，軟件質(zhì)量也難以保障。

根據(jù)數(shù)據(jù)處理及管理軟件報表復(fù)雜的需求特點，系統(tǒng)報表開發(fā)采用ComponentOne公司提供的第三方報表組件ComponentOne Chart作為圖表生成中間件、ComponentOne VSFlexGrid Pro作為數(shù)據(jù)報表中間件，并為終端用戶提供數(shù)據(jù)報表的生成、展示、打印和文件導(dǎo)出等功能。該方案應(yīng)融合畫布式報表與單元格式報表兩種工具的優(yōu)點，既可以可視化地綁定數(shù)據(jù)，也可便捷排列，從而提高報表設(shè)計的效率。

3 系統(tǒng)不確定度分析與評定

檢定裝置的測量不確定度是衡量計量檢定/校準工作可靠性的重要指標，也是衡量被檢溫度測量設(shè)備溯源結(jié)果的主要依據(jù)。為保證檢定裝置對溫度傳感器測量的準確度，需要對測量不確定度進行評定。

3.1 統(tǒng)測量不確定度分析

主要從設(shè)備測量精度、測量環(huán)境等方面分析系統(tǒng)不確定度來源：(1)溫度標準器最小分辨力引入的不確定度；(2)溫度標準器的穩(wěn)定性引入的不確定度；(3)溫度標準器最大允許誤差引入的測量不確定度；(4)溫度檢定設(shè)備的均勻性引入的測量不確定度；(5)溫度檢定設(shè)備的分辨力引入的測量不確定度；(6)溫度檢定設(shè)備的允許誤差引入的測量不確定度。

3.2 系統(tǒng)測量不確定度評定

3.2.1A類不確定度評定

A類不確定度是指測量重復(fù)性引入的不確定度分量，因本檢定裝置無測量重復(fù)性數(shù)據(jù)，此項忽略。

3.2.2B類不確定度評定

B類不確定度評定主要指由測量標準裝置引入的誤差。

1)溫度標準器最小分辨力引入的標準不確定度ub1

溫度標準器的最小分辨力為0.01 ℃，服從均勻分布，由其引入的測量不確定度為：

2)溫度標準器穩(wěn)定性引入的標準不確定度ub2

溫度標準器的年穩(wěn)定性估計為0.003 ℃，服從均勻分布，則由穩(wěn)定性引入測量不確定度為：

3)溫度標準器最大允許誤差引入的測量不確定度ub3

標準藥溫傳感器的誤差為±0.1 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

鉑電阻數(shù)字溫度表的最大允許誤差±0.01 ℃，服從均勻分布，測量不確定度分量為：

4)溫度檢定設(shè)備均勻性引入的測量不確定度ub4

溫度檢定箱的均勻性為0.1 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

溫度檢定槽的均勻性為0.003 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

5)溫度檢定設(shè)備的分辨力引入的測量不確定度ub5

溫度檢定箱的分辨力為0.01 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

溫度檢定槽的分辨力為0.01 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

6)溫度檢定設(shè)備的允許誤差引入的測量不確定度ub6

溫度檢定箱的允許誤差為±0.1 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

溫度檢定槽的允許誤差為±0.01 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

7)合成標準不確定度uc

溫度箱檢定設(shè)備合成不確定度為：

溫度槽檢定設(shè)備合成不確定度為：

8)擴展不確定度U

溫度箱檢定設(shè)備擴展不確定度：

U=kuc1=0.208 ℃ (k=2)

溫度槽檢定設(shè)備擴展不確定度：

U=kuc2=0.024 ℃ (k=2)

因此，該溫度檢定裝置的擴展不確定度不大于被檢藥溫傳感器、通用溫度測量設(shè)備準確度的1/4，滿足技術(shù)指標的要求，適用于裝備溫度測量設(shè)備的計量檢定。

4 結(jié)論

本文通過分析武器裝備中配套的通用溫度測量設(shè)備和專用溫度測量設(shè)備的計量保障需求，設(shè)計了一種溫度測量設(shè)備單機雙單元檢定裝置，通過同一套控制系統(tǒng)控制，可完成檢定數(shù)據(jù)的采集、處理、報表生成；該系統(tǒng)自動化程度高，使用靈活，適合部隊野外作業(yè)，尤其是部隊遂行保障中溫度測量設(shè)備的計量檢定。