無紙溫度數(shù)據(jù)記錄儀自動校準系統(tǒng)

/ 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

為滿足熱控系統(tǒng)測點多、準確度高、測量速度快等溫度實時采集的需求，無紙溫度數(shù)據(jù)記錄儀（具有自動存儲功能，有別于打點記錄的紙質(zhì)記錄儀，以下簡稱記錄儀）大都采用多通道采集記錄數(shù)據(jù)，一般為6～48通道不等[1]。根據(jù)相關(guān)國家檢定規(guī)程的要求[2]，當記錄儀各個通道間的信號轉(zhuǎn)換完全是通過掃描開關(guān)完成的，在校準時，則可以將輸入同名端分別進行短接，即對多個通道同時輸入標準信號，否則每個通道的校準就要逐個進行。當通道較多時，校準過程會出現(xiàn)大量重復(fù)性操作，耗時長、效率低。即便可以短接同名端，對各個通道同時輸入標準信號，在校準時檢測人員還需對記錄儀各通道的示值進行數(shù)據(jù)記錄，大量數(shù)據(jù)的手動記錄以及誤差值的計算也同樣耗時低效，還可能出現(xiàn)人為因素造成差錯的情況。

針對這一問題，本文設(shè)計了一種無紙溫度數(shù)據(jù)記錄儀自動校準系統(tǒng)。通過計算機控制標準器對記錄儀輸出標準信號，并讀取記錄儀實時記錄的示值，從而將數(shù)據(jù)結(jié)果自動生成電子原始記錄，在省時高效的同時也實現(xiàn)了實驗室數(shù)據(jù)實時有效的管理。在后續(xù)證書報告的處理方面與實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）穩(wěn)妥對接，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件構(gòu)成

校準系統(tǒng)的硬件部分由上位機PC、標準器（模擬熱電偶/熱電阻溫度輸出的溫度校準儀）、補償導(dǎo)線/銅導(dǎo)線和被校記錄儀組成，其工作原理如圖1所示。其中上位機控制溫度校準儀輸出標準溫度信號，被校記錄儀接收到溫度信號后，上位機讀取記錄儀的示值并處理所有數(shù)據(jù)，最后導(dǎo)出數(shù)據(jù)直接形成電子原始記錄數(shù)據(jù)。

圖1 校準系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.2 工作方式

校準系統(tǒng)具體的工作方式根據(jù)國家校準規(guī)范[3]的要求進行設(shè)計：

1）按照圖1的接線方式連接上位機、溫度校準儀和被校記錄儀。

2）將被校記錄儀的輸入信號類型及量程輸入上位機，上位機根據(jù)量程自動選擇校準溫度點并將輸出指令發(fā)送給溫度校準儀。

3）溫度校準儀在接收到上位機的指令后，向被校記錄儀輸入其下限值的模擬溫度值/電阻值，被校記錄儀在接收到信號后，上位機查詢被校記錄儀是否完成采樣，并讀取被校記錄儀的示值；然后開始增大輸入信號（上行程時），分別輸入各校準點模擬溫度值/電阻值，待上位機讀取被校記錄儀的示值完成反饋，直至測量上限；在輸入上限溫度信號并讀取被校記錄儀示值后減小輸入信號（下行程時），分別輸入各校準點模擬溫度值，并讀取被校記錄儀的示值完成反饋，直至下限。

取上下行程被校記錄儀示值的平均值與標準模擬溫度之差作為該溫度點的示值誤差，如式（1）：

式中：Δt——各被校點的示值誤差，℃；

ts——被校點標準溫度值，℃

4）所有數(shù)據(jù)結(jié)果的處理由上位機完成并利用Excel直接導(dǎo)出，形成LIMS電子原始記錄。

1.3 軟件設(shè)計

本校準系統(tǒng)在Windows10操作系統(tǒng)和Visual Studio2019開發(fā)平臺下，利用串口通信[4][5]來實現(xiàn)對儀器的控制和數(shù)據(jù)的采集。軟件系統(tǒng)工作流程如圖2所示，首先選擇對話框中被校記錄儀輸入的信號類型，計算機連接溫度校準儀以及被校記錄儀，然后計算機根據(jù)所選輸入信號的量程設(shè)置溫度校準儀的輸出狀態(tài)，設(shè)置延時即溫度校準每輸出一個標準溫度信號需要等待的時間，該時間和被校記錄儀的采樣頻率有關(guān)，一般記錄儀的采樣頻率為1次/s。等待時間的長短也決定了整個校準過程所耗的時長。延時時間到，計算機查詢被校記錄儀，讀取被校記錄儀的示值并記錄數(shù)據(jù)。完成全部測量，將數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)出并保存為Excel文件作為電子原始記錄的數(shù)據(jù)頁。省去了校準人員手動記錄大量測量數(shù)據(jù)的過程，同時在后續(xù)的證書處理時，可與實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS系統(tǒng)）實現(xiàn)對接，將保存好的Excel文件自動生成證書數(shù)據(jù)頁，從而提高校準人員的工作效率。

2 實驗驗證

從自動校準系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以看出，系統(tǒng)的測量誤差主要來源溫度校準儀。溫度校準儀根據(jù)周檢計劃送往上級計量機構(gòu)進行溯源，并通過穩(wěn)定性考核、重復(fù)性試驗證明其校準能力。這里不再贅述。

2.1 測試方法

圖2 軟件系統(tǒng)工作流程

這里選用一個某型號的無紙溫度數(shù)據(jù)記錄儀，輸入信號源為K型熱電偶，量程0～1300℃。根據(jù)JJG74-2005《工業(yè)過程測量記錄儀》檢定規(guī)程和JJF1664-2017《溫度顯示儀》校準規(guī)范的要求，將每個通道的輸入同名端進行短接，再分別連接計算機、溫度校準儀和被校記錄儀，然后在軟件界面中點擊連接設(shè)備，選擇輸入信號，溫度校準儀開始對被校記錄儀輸入下限值的標準溫度信號，增大輸入信號（上行程時），直至測量上限；在輸入上限溫度信號并讀取被校記錄儀示值后減小輸入信號（下行程時），直至下限。最后計算機以上下行程被校記錄儀示值的平均值與標準模擬溫度之差作為該溫度點的示值誤差，將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)出并保存為Excel文件。

2.2 數(shù)據(jù)分析

設(shè)置延時等待時間為10s時，整個測試過程在3min內(nèi)完成，該儀表6個通道的測試結(jié)果如表1所示。由測試過程和表1的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，如果完全由校準員人工輸入標準信號，逐一讀取被校記錄儀示值并手動記錄數(shù)據(jù)，再完成計算，同樣一臺6通道的被校記錄儀需耗時約30min。如果通道數(shù)增加到12通道甚至多達48通道，通常人工操作所需時間會隨著通道數(shù)的增加成倍數(shù)關(guān)系增加，而系統(tǒng)自動校準所耗時長卻變化不大，所以人工需要1～2h完成的工作，自動校準系統(tǒng)卻在幾分鐘內(nèi)即可完成。可見被校記錄儀的通道數(shù)越多，人工校準與自動校準系統(tǒng)的時長對比反差越大，自動校準系統(tǒng)的效率優(yōu)勢就更為明顯。同時由于測量結(jié)果與LIMS系統(tǒng)對接，自動生成電子原始記錄和證書的數(shù)據(jù)頁，從而避免了在記錄和輸入大量數(shù)據(jù)時由人為因素造成的錯誤，提高了測量結(jié)果的可靠性。

3 結(jié)語

本文利用上位機連續(xù)發(fā)送指令來控制溫度校準儀的自動檢出，接收被校記錄儀的實時數(shù)據(jù)，設(shè)計了一種無紙溫度數(shù)據(jù)記錄儀自動校準系統(tǒng)。該系統(tǒng)加快了對記錄儀的測量速度，節(jié)省了工作時間，便于多次重復(fù)測量，提高了校準人員的工作效率，簡易的操作降低了工作難度。整個測量過程，數(shù)據(jù)記錄及處理和證書生成都是全自動模式，避免了人工校準過程中可能出現(xiàn)的錯誤，提高了測量結(jié)果的可靠性。未來為了進一步擴大自動校準系統(tǒng)測試對象的范圍，可利用字符識別技術(shù)[6]通過機器視覺[7]逐步實現(xiàn)對所有溫度二次儀表顯示值的讀取，從而實現(xiàn)所有溫度二次儀表的全自動化校準。

表1 被校記錄儀校準結(jié)果