基于Android的氣相色譜儀溫度自動檢定系統(tǒng)的設(shè)計

楊葉花，黃鋒，梁滿兵，張力玲，黃建林

（廣州計量檢測技術(shù)研究院，廣東廣州510030）

0 引言

隨著氣相色譜儀在化工、生物、食品、科研生產(chǎn)中的廣泛使用，許多地方計量部門建立了相應(yīng)的氣相色譜儀檢定裝置，開展對地方氣相色譜儀的計量檢定工作。JJG 700-2016《氣相色譜儀檢定規(guī)程》規(guī)定了氣相色譜儀的柱箱溫度穩(wěn)定性、程序升溫重復(fù)性的檢定方法［1］。目前，氣相色譜儀的溫度檢定大多處于人工檢測階段，采用鉑電阻溫度計和數(shù)字多用表或者色譜檢定專用測量儀聯(lián)用測量溫度值，秒表計時，規(guī)定的時間后將測量結(jié)果記錄到原始記錄上［2-4］，在給檢測機構(gòu)帶來高額的人力成本、管理成本的同時，準(zhǔn)確性和規(guī)范性也難以保證。

近年來，Android平臺在智能家居、醫(yī)療、安防系統(tǒng)、金融行業(yè)等［5-8］。各行各業(yè)都有了非常多的場景應(yīng)用，但目前在計量檢定領(lǐng)域內(nèi)Android移動終端的使用率還比較少。本文針對JJG 700-2016《氣相色譜儀檢定規(guī)程》，設(shè)計了一種可實現(xiàn)Android手機遠(yuǎn)程顯示控制的氣相色譜儀溫度自動檢定系統(tǒng)，旨在減少檢定人員的工作量，提升檢定準(zhǔn)確性和實驗室自動化能力，提高工作效率。

1 自動檢定系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

自動檢定系統(tǒng)選用的標(biāo)準(zhǔn)器是自主研發(fā)的一款溫度數(shù)據(jù)采集儀，Android手機作為遠(yuǎn)程顯示控制器，按檢定規(guī)程進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)通過IIC轉(zhuǎn)USB模塊發(fā)送至手機端，完成測量結(jié)果的自動記錄、計算和顯示。

1.1 溫度數(shù)據(jù)采集儀的總體結(jié)構(gòu)

溫度數(shù)據(jù)采集儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，實物如圖2所示。被測鉑電阻和采樣標(biāo)準(zhǔn)電阻將溫度的變化轉(zhuǎn)化成變化的電信號，這兩個電信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊后由模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，PC端或手機端通過IIC轉(zhuǎn)USB模塊讀取數(shù)字信號及參數(shù)，經(jīng)過內(nèi)部的軟件計算將這個數(shù)字信號和溫度聯(lián)系起來，成為可以顯示出來的溫度數(shù)值，顯示在電腦屏幕或手機屏幕上，以便觀察。

圖1 溫度數(shù)據(jù)采集儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 溫度數(shù)據(jù)采集儀實物圖

該溫度數(shù)據(jù)采集儀的外置傳感器為A級PT1000鉑熱電阻，根據(jù)IEC的規(guī)定，允差指標(biāo)為±（0.15℃+其中，t為溫度，采樣標(biāo)準(zhǔn)電阻具有極低的溫度漂移特性和優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。A/D轉(zhuǎn)換器選用MCP3422，可提供18位分辨力、2個輸入通道，且集成電壓參考、可編程增益放大器和振蕩器。采用比較法測量被測鉑電阻的阻值，通過兩個電壓的比對，有效避免A/D模塊溫度漂移、長期漂移特性及電源波動帶來的測量誤差。數(shù)據(jù)存儲器用于存儲溫度數(shù)據(jù)采集儀的編號、有效期、校準(zhǔn)值和鉑電阻溫度計的分度表系數(shù)等信息，這些信息均可通過電腦操作輸入、修改、長期貯存。

1.2 Android手機端的應(yīng)用程序

Android手機端程序采用 Java語言，用 Android Studio開發(fā)工具進(jìn)行編寫，主要包括溫度檢定主界面、穩(wěn)定性測試、重復(fù)性測試3個界面。

1.2.1溫度檢定主界面

圖3、圖4分別是溫度檢定主界面的設(shè)計流程圖和效果圖。打開APP，進(jìn)入溫度檢定主界面，首先檢查器件是否通信成功。通信失敗則提醒：自檢失敗，請確保溫度探頭已正常連接；通信成功則提醒：自檢成功。

圖3 主界面設(shè)計流程圖

圖4 溫度檢定主界面

系統(tǒng)在自檢成功后，獲取儀器編號（如20002）和儀器的檢定有效期（例如2019-12-20），并判定儀器有效狀態(tài)，若有效日期呈綠色，則表示儀器當(dāng)前日期離檢定有效期限長于15天；若呈紅色，則表示儀器超出檢定有效期，提示儀器需暫停檢定工作，立即申請計量檢定；若呈黃色，則表示當(dāng)前日期距離檢定有效期限少于15天，提示盡快申請下一次計量檢定。

之后進(jìn)入主循環(huán)，在程序的主循環(huán)中，啟動2個定時器，當(dāng)定時器1溢出時，讀取ADC的值，多次采樣求平均值，計算被測電阻值；當(dāng)定時器2溢出時，計算溫度值，APP上實時顯示當(dāng)前測得的溫度值（例如26.46℃），刷新率為1次/s。單擊“穩(wěn)定性測試”，進(jìn)入溫度穩(wěn)定性測試界面；單擊“重復(fù)性測試”，進(jìn)入溫度重復(fù)性測試界面。

1.2.2溫度穩(wěn)定性測試

圖5是溫度穩(wěn)定性測試界面，可以設(shè)置采樣間隔和采樣總時長，達(dá)到完成不同測試任務(wù)的目的。單擊“開始測試”按鈕，系統(tǒng)開始測量，記錄每個測試溫度點并啟動倒計時功能，以便操作人員直觀判斷本次實驗還將持續(xù)多長時間。界面實時顯示第n個測試溫度點的值，根據(jù)柱箱溫度穩(wěn)定性檢定方法，共記錄10個數(shù)據(jù)，測試任務(wù)完成后，根據(jù)式（1）計算柱箱溫度穩(wěn)定性Δt1，然后顯示測試結(jié)果。

式中：tmax為相應(yīng)點的最大溫度，℃；tmin為相應(yīng)點的最小溫度，℃；ˉt為相應(yīng)點的平均溫度，℃。

1.2.3溫度重復(fù)性測試

圖6是溫度重復(fù)性測試界面，與穩(wěn)定性測試界面一樣，亦可設(shè)置采樣間隔和采樣總時長，共有三組測試可選，可選擇其中任意兩組或三組進(jìn)行重復(fù)性測試，滿足不同測試任務(wù)的需要。一組測試任務(wù)完成后，可啟動另一組測試任務(wù)。完成2組測試任務(wù)后，根據(jù)式（2）計算程序升溫重復(fù)性Δt2。第三組測試任務(wù)完成后，重新計算并刷新重復(fù)性測試結(jié)果。

式中：t′max為相應(yīng)點的最大溫度，℃；t′min為相應(yīng)點的最小溫度，℃；ˉt′為相應(yīng)點的平均溫度，℃。

圖5 溫度穩(wěn)定性測試界面

圖6 溫度重復(fù)性測試界面

2 溫度數(shù)據(jù)采集儀準(zhǔn)確性驗證

數(shù)據(jù)溫度采集儀的校準(zhǔn)參照國家計量校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1366-2012進(jìn)行［9］，使用某高精密數(shù)字溫度計1522A-12、恒溫槽RTS-40AB作為標(biāo)準(zhǔn)器，對其進(jìn)行校準(zhǔn)。將恒溫槽的溫度恒定在各被校溫度點，當(dāng)恒溫槽溫度恒定30 min后，同時讀取精密數(shù)字溫度計及手機APP的實時顯示值，按“標(biāo)準(zhǔn)→被?！恍！鷺?biāo)準(zhǔn)”的順序分別讀取測量標(biāo)準(zhǔn)和手機APP的實時溫度值，進(jìn)行兩個循環(huán)的讀數(shù)。精密數(shù)字溫度計的測量值經(jīng)修正為約定真值，手機APP顯示值為實驗值，測量結(jié)果以實驗值與約定真值的差表示，即示值誤差。校準(zhǔn)結(jié)果如圖7所示，在各校準(zhǔn)點，示值誤差均小于0.30℃，證明該溫度數(shù)據(jù)采集儀可作為氣象色譜儀的標(biāo)準(zhǔn)器使用。

圖7 校準(zhǔn)結(jié)果

3 結(jié)論

設(shè)計了基于Android技術(shù)的氣相色譜儀溫度自動檢定系統(tǒng)，完成了標(biāo)準(zhǔn)器溫度數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)計和Android手機端應(yīng)用程序設(shè)計及測試工作，并對溫度數(shù)據(jù)采集儀的準(zhǔn)確性進(jìn)行了測試。經(jīng)過校準(zhǔn)，其示值誤差小于0.30℃，在測量范圍和測量準(zhǔn)確度方面，溫度數(shù)據(jù)采集儀完全達(dá)到了JJG 700-2016《氣相色譜儀檢定規(guī)程》對鉑電阻溫度計的技術(shù)指標(biāo)要求；且Android手機端軟件能穩(wěn)定高效地實現(xiàn)氣相色譜儀柱箱溫度穩(wěn)定性和程序升溫穩(wěn)定性檢定過程中數(shù)據(jù)的記錄和檢定結(jié)果的計算，減少了檢定人員的計算工作量，提高了檢定效率和測量準(zhǔn)確度，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果。