小型高精度無線溫度數(shù)據(jù)采集儀的研制

余松林，王 喆，栗慧燕，王曉丹

（1.天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津300192；2.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津300450）

溫度數(shù)據(jù)采集儀是指可直接置于被測環(huán)境中進(jìn)行測量，具有自動采集被測溫度信號、數(shù)據(jù)存儲、記錄和通訊等功能的溫度測量儀表[1]。相比溫度傳感器與測量儀表分離的傳統(tǒng)測量裝置，溫度數(shù)據(jù)采集儀高度集成了溫度傳感器、測量電路、數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)，具有體積小、測量精度高和溫度數(shù)據(jù)可存儲的優(yōu)點(diǎn)。存儲的數(shù)據(jù)還可用來對被測設(shè)備溫度變化進(jìn)行后期分析或跟蹤。這些優(yōu)點(diǎn)使得其廣泛應(yīng)用于制藥工程、食品加工和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。特別是一些密封設(shè)備，如冷鏈運(yùn)輸車、膠塞清洗滅菌器、凍干機(jī)、罐裝食品、巴氏滅菌器、清洗消毒和熱力滅菌設(shè)備溫度計等溫度參數(shù)的計量校準(zhǔn)[2～4]。

溫度數(shù)據(jù)采集儀的工作環(huán)境較為惡劣，高濕、極端冷熱或高壓環(huán)境對溫度數(shù)據(jù)采集儀封裝及測量電路設(shè)計均提出了挑戰(zhàn)。同時，待測設(shè)備的多樣性還要求溫度數(shù)據(jù)采集儀不僅應(yīng)具有較寬的溫度測量范圍和較高的測量精度，還應(yīng)在惡劣工作環(huán)境下保持較高的測量可靠性和穩(wěn)定性[5-6]。特別是如罐裝食品或小型藥物反應(yīng)容器等狹小密閉空間的溫度計量，對溫度數(shù)據(jù)采集儀的體積和測量精度提出較高要求。目前，市場上廣泛使用的溫度數(shù)據(jù)采集儀多為國外產(chǎn)品，售價較為昂貴。美國MadgeTech公司研發(fā)的微型溫度數(shù)據(jù)采集儀MT-MicroTemp，尺寸為18×66 mm（φ×L），測量溫度范圍為（-40～+80）℃，測量精度和分辨率分別為±0.5 ℃和0.1 ℃，可存儲32767 組數(shù)據(jù)[7]。法國TMI-Orion 公司推出的MiniVACQ、NanoVACQ 和PicoVACQ 等多款產(chǎn)品，溫度測量范圍介于（-90～140）℃，測量精度為±（0.1～0.2）℃。體積最小的PicoVACQ 產(chǎn)品尺寸僅為15×35 mm（φ×L），數(shù)據(jù)存儲為12303 組[8]。德國testo 公司也研制出尺寸為20×40 mm～20×72 mm（φ×L）的多款產(chǎn)品，測量范圍達(dá)到（-50～140）℃，數(shù)據(jù)存儲為30000～60000 組之間。國內(nèi)開展相關(guān)研究的較少，多數(shù)產(chǎn)品為貼牌生產(chǎn)。文獻(xiàn)[9]設(shè)計的設(shè)備測溫范圍為（-40～140）℃，其它參數(shù)未知。

本研究提出開發(fā)一種基于Pt1000 溫度傳感器的小型化高精度無線溫度數(shù)據(jù)采集儀。該設(shè)備外觀尺寸為30×60 mm（φ×L），測溫范圍達(dá)到（-40～140）℃，測量分辨力為0.01 ℃，測量精度優(yōu)于±0.1 ℃，防護(hù)等級達(dá)到IP68。整機(jī)工作電流為8.4 mA，功耗僅30 mW，可存儲32767 組數(shù)據(jù)。此外，還編制了基于VISA 接口的LabVIEW 上位機(jī)控制軟件，可實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的采集及處理。還利用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計和恒溫槽對研制溫度數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，研制的溫度數(shù)據(jù)采集儀的示值誤差絕對值不超過0.06 ℃，且示值誤差的擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.05 ℃（k=2），優(yōu)于其它同類產(chǎn)品。最后，利用研制的溫度數(shù)據(jù)采集儀對醫(yī)用熱力滅菌設(shè)備溫度計進(jìn)行了校準(zhǔn)，獲得了被校滅菌設(shè)備溫度計的溫度波動度和示值誤差等參數(shù)。

1 測量系統(tǒng)設(shè)計

1.1 溫度數(shù)據(jù)采集儀硬件電路設(shè)計

溫度數(shù)據(jù)采集儀硬件電路采用模塊化設(shè)計方式，主要包括溫度采集模塊、主控模塊單片機(jī)、EEPROM 存儲模塊和電池管理模塊4 個主要部分，硬件電路設(shè)計示意圖如圖2所示。溫度采集模塊即為Pt1000 溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊，其主控模塊芯片可獲取并存儲溫度數(shù)據(jù)、選擇工作模式、對恒流源校準(zhǔn)、傳輸數(shù)據(jù)、檢測電池電量和接收指令。通過時間選擇使能開關(guān)、校準(zhǔn)使能開關(guān)和上傳使能開關(guān)作為邏輯控制開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。數(shù)據(jù)傳輸接口是通過上傳使能開關(guān)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸及指令下達(dá)。存儲模塊由EEPROM 構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲，最多可存儲32762 組數(shù)據(jù)。電池管理模塊是由升壓模塊及線性穩(wěn)壓模塊兩部分構(gòu)成，通過對電池電壓進(jìn)行升壓和穩(wěn)壓，保證在特殊溫度環(huán)境，如高溫或低溫下為系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定供電。PCB 電路板為近圓型，整體直徑為15 mm，降低了整機(jī)的尺寸。

圖1 溫度數(shù)據(jù)采集儀硬件設(shè)計示意圖Fig.1 Hardware design schematic diagram of temperature data acquisition instrument

1.2 外殼封裝設(shè)計

溫度數(shù)據(jù)采集儀的外殼應(yīng)具備防水、抗壓等功能，以應(yīng)對較為嚴(yán)苛的工作環(huán)境。本研究采用316L不銹鋼作為外殼加工材料，結(jié)合PCB 電路板制作工藝，外殼設(shè)計為圓柱型結(jié)構(gòu)，外殼封裝設(shè)計示意圖如圖2所示。外殼封裝結(jié)構(gòu)主要包括：①金屬電池旋蓋；②電池負(fù)極觸電彈簧；③耐高、低溫電池；④鍍金導(dǎo)電銅塊；⑤PCB 印刷電路板；⑥金屬外殼；⑦Pt1000 溫度傳感器；⑧數(shù)據(jù)讀取窗口；⑨數(shù)據(jù)讀取、時間模式選擇接口旋蓋。金屬材質(zhì)外殼保證了溫度數(shù)據(jù)采集儀測量電路不受外界環(huán)境影響，整機(jī)防護(hù)等級達(dá)到IP68 級。

圖2 溫度數(shù)據(jù)采集儀外殼封裝設(shè)計示意圖Fig.2 Shell encapsulation schematic diagram of temperature data acquisition instrument

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 溫度數(shù)據(jù)采集儀實(shí)驗(yàn)標(biāo)定

為提高研制的溫度記錄儀的測量準(zhǔn)確性，減小測量誤差，采用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計（T25-420-1，昆明大方自動控制科技有限公司）和恒溫槽（7341，F(xiàn)LUKE）進(jìn)行示值標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的測量值為實(shí)際溫度。溫度數(shù)據(jù)采集儀9次測量溫度數(shù)據(jù)如表1所示（限于篇幅，表1中的數(shù)據(jù)保留兩位小數(shù)點(diǎn)）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以0 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)為分界點(diǎn)，研制的溫度數(shù)據(jù)采集儀示值誤差隨校準(zhǔn)點(diǎn)溫度的升高而增大。在140 ℃測量點(diǎn)，示值誤差最大值為2.25 ℃，0 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差最小，為0.03 ℃。

表1 溫度數(shù)據(jù)采集儀的測量溫度值Tab.1 Measured temperature value of temperature data acquisition instrument

2.2 溫度數(shù)據(jù)采集儀補(bǔ)償方法

利用實(shí)際溫度值與溫度數(shù)據(jù)采集儀測量值的比值建立溫度修正補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)采集儀的溫度示值補(bǔ)償。根據(jù)其測量特性，可選用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合[10-11]。設(shè)其在0 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)的比值為1，并以0 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)為分界點(diǎn)，建立溫度數(shù)據(jù)采集儀的補(bǔ)償方法。（-40～0）℃和（0～140）℃區(qū)間的多項(xiàng)式擬合曲線如圖3所示（R2≥0.99）。利用擬合的多項(xiàng)式對測量溫度點(diǎn)進(jìn)行修正補(bǔ)償，結(jié)果如圖4所示。采用溫度補(bǔ)償方法后，溫度數(shù)據(jù)采集儀在各溫度校準(zhǔn)點(diǎn)的測量示值誤差絕對值不大于0.06 ℃。采用補(bǔ)償方法顯著減小了溫度數(shù)據(jù)采集儀的測量誤差，提高了測量精度，其測量性能優(yōu)于其它同類產(chǎn)品。

圖3 溫度數(shù)據(jù)采集儀補(bǔ)償曲線Fig.3 Compensation curve of temperature data acquisition instrument

圖4 補(bǔ)償前后的示值誤差Fig.4 Compensated and uncompensated indication error

2.3 不確定度分析

該溫度數(shù)據(jù)采集儀的不確度分量主要包括研制裝置的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)誤差、標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計穩(wěn)定性、水三相點(diǎn)變化、標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻配套電測儀表、以及恒溫槽的溫度波動性和均勻性等引入的不確定度分量。以140 ℃溫度測量點(diǎn)為例，計分析溫度數(shù)據(jù)采集儀器的不確定度。根據(jù)JJF 1366-2012，溫度數(shù)據(jù)采集儀校準(zhǔn)時，恒溫槽的溫度均勻性應(yīng)不超過0.01 ℃，溫度波動性應(yīng)不超過0.02 ℃/10 min，那么引入的不確定度分量分別為2.9 mK 和5.8 mK。查閱二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溯源證書，可得其在140 ℃時測量誤差為8.2 mK，那么對應(yīng)的不確定度分量為3.2 mK。根據(jù)水三相點(diǎn)瓶溯源證書可得其變化量為3 mK，計算可得引入的不確定度分量為1.7 mK。鉑電阻配套電測設(shè)備相對誤差不大于3×10-5℃，可得其引入的不確定度分量為5.2 mK。140 ℃溫度測量點(diǎn)的各不確定度分量如表2所示，計算可得研制的溫度數(shù)據(jù)采集儀在140 ℃的擴(kuò)展不確定度為0.05 ℃（k=2）。同樣可以計算得到本研制裝置在其它溫度點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度，其值優(yōu)于0.05 ℃（限于篇幅，其它數(shù)據(jù)未給出）。

表2 140 ℃測量點(diǎn)的不確定度分量數(shù)值Tab.2 Component value of uncertainty at 140 ℃

3 溫度數(shù)據(jù)采集儀的應(yīng)用

利用研制的溫度數(shù)據(jù)采集儀對醫(yī)用熱力滅菌設(shè)備溫度計的溫度參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，單次測量曲線如圖5所示。相同實(shí)驗(yàn)重復(fù)測量3 次，取3 次測量結(jié)果平均值作為校準(zhǔn)結(jié)果。

圖5 滅菌器溫度校準(zhǔn)曲線Fig.5 Temperature calibration curve for thermometers of clinic autoclave

根據(jù)JJF 1308-2011[12]，計算可得該被校滅菌設(shè)備在115 ℃設(shè)定溫度點(diǎn)，滅菌保持時間為23 min。滅菌保持時間內(nèi)，溫度最小和最大值分別為115.29 ℃和117.75 ℃，溫度波動度為2.46 ℃，示值誤差為+1.81 ℃（U=0.24 ℃，k=2）。

4 結(jié)語

為滿足密封設(shè)備的溫度計量需要，設(shè)計了一種高度集成溫度傳感器、測量電路、數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)的小型高精度溫度數(shù)據(jù)采集儀。同進(jìn)，還編制了基于VISA 接口的LabVIEW 上位機(jī)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的采集及處理。該設(shè)備外觀尺寸為30×60 mm（φ×L），測溫范圍達(dá)到（-40～140）℃，測量分辨力為0.01 ℃，測量精度優(yōu)于±0.1 ℃。該設(shè)備防護(hù)等級達(dá)到IP68，整機(jī)工作電流為8.4 mA，功耗僅30 mW，可存儲32767 組數(shù)據(jù)。還利用恒溫槽和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻構(gòu)成的校準(zhǔn)系統(tǒng)對研制的溫度數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，并建立了溫度修正補(bǔ)償方法。補(bǔ)償后的溫度數(shù)據(jù)采集儀的示值誤差絕對值不超過0.06 ℃，且示值誤差的擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.05 ℃（k=2），優(yōu)于其它同類產(chǎn)品。最后，利用研制的溫度數(shù)據(jù)采集儀對醫(yī)用熱力滅菌設(shè)備溫度計進(jìn)行了校準(zhǔn)，獲得了被校滅菌設(shè)備溫度計的溫度波動度和示值誤差等參數(shù)。結(jié)果表明，研制的溫度數(shù)據(jù)采集儀具有較高的測量精度，可應(yīng)用于密封設(shè)備的在線校準(zhǔn)。