光電高溫計自動測試系統(tǒng)設(shè)計

高一凡，蔡靜，張嵐

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095）

0 引言

光電高溫計是輻射溫度量傳中的常用計量標(biāo)準(zhǔn)器具［1］。JJG 1032-2007《標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計檢定規(guī)程》對標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計的穩(wěn)定性提出的要求是：在1年內(nèi)，在1200℃分度值的變化的絕對值不大于1.0℃［2］。光電高溫計的長期穩(wěn)定性參數(shù)體現(xiàn)了光電高溫計讀數(shù)隨時間變化的可靠程度，決定著其能否用于輻射溫度量值傳遞［3-5］。

固定點黑體輻射源是用來分度標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計的標(biāo)準(zhǔn)裝置，其精度、復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性均具有較高水平［6-7］。利用固定點黑體輻射源作為標(biāo)準(zhǔn)器，可以測量光電高溫計在溫坪處的波動度，多次測量即可分析被測光電高溫計的穩(wěn)定性。

光電高溫計作為計量標(biāo)準(zhǔn)器具時，其短期穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性是必須考核的指標(biāo)［8-9］；此外，在光電高溫計研制過程中，也需要采用固定點黑體輻射源對其進(jìn)行測試，為光電高溫計的設(shè)計研發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐［10-13］。目前光電高溫計的長期穩(wěn)定性參數(shù)通常需要通過人工測試獲取，存在測試效率低、數(shù)據(jù)管理復(fù)雜等問題，為了簡化測試流程，便于數(shù)據(jù)管理和分析運用［14］，本文以C#為開發(fā)工具，設(shè)計了一套具有流程控制、數(shù)據(jù)采集與處理、波動度分析計算、歷史數(shù)據(jù)回看等功能的光電高溫計自動測試系統(tǒng)。對該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成、軟件運行流程、具體操作步驟進(jìn)行詳細(xì)介紹，并開展測量不確定度評定驗證其準(zhǔn)確性與可靠性，為簡化光電高溫計測試流程起到重要作用。

1 硬件搭建

光電高溫計自動測試系統(tǒng)由固定點黑體輻射源、氣源、光電高溫計、數(shù)據(jù)采集及處理裝置組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

圖1 光電高溫計自動測試系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagramof photoelectric pyrometer automatic test system

圖2 光電高溫計自動測試系統(tǒng)實物圖Fig.2 Photoelectric pyrometer automatic test system

本文使用Chino公司生產(chǎn)的IR-R0系列Ag固定點黑體輻射源，該輻射源具有提供Ag凝固點溫度（961.78℃）的能力。在坩堝溫度超過250℃時需持續(xù)通入氬氣，使用氬氣氣瓶作為氣源，保證進(jìn)氣流量為0.2～0.5 L/min。

Ag固定點溫度理論值為961.78℃，熔解溫度設(shè)定值為983℃，凝固溫度設(shè)定值為952℃。一個溫度循環(huán)過程中，固定點黑體輻射源的設(shè)定溫度與實際溫度關(guān)系如圖3所示。

圖3 固定點黑體輻射源設(shè)定溫度與實際溫度關(guān)系Fig.3 Relationship between set temperature and actual temperature of fixed point blackbody radiation source

圖3中，T1為室溫，T2為凝固溫度設(shè)定值，T3為溫坪溫度，T4為熔化溫度設(shè)定值。t1時刻改變設(shè)定溫度為凝固溫度T2，t1至t2實際溫度從室溫升溫至凝固溫度；t2時刻改變設(shè)定溫度為熔化溫度T4，t2至t3實際溫度從凝固溫度升溫至熔化溫度，升溫過程中，輻射溫度會穩(wěn)定一段時間，這段時間固定點的狀態(tài)被稱為熔化溫坪；t3時刻改變設(shè)定溫度為凝固溫度T2，t3至t6實際溫度從熔化溫度降溫至凝固溫度，降溫過程中，輻射溫度會穩(wěn)定一段時間（t4至t5），這段時間固定點的狀態(tài)被稱為凝固溫坪。t6時刻一個溫度循環(huán)結(jié)束。開始一個新的溫度循環(huán)，無需降溫至室溫，只需升溫至熔化溫度T4即可。凝固溫坪與熔化溫坪相比，溫度穩(wěn)定性更好，持續(xù)時間更長，因此，它是測試光電高溫計的最佳時間。

固定點黑體輻射源從室溫上升至凝固溫度后的第一個溫度循環(huán)的溫坪穩(wěn)定性較差，一般使用第二個及以后的溫坪測試。

所測試的光電高溫計為本單位自主研發(fā)的UP系列標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計，其測溫范圍為800～3000℃，光譜范圍為（660±10）nm，具有目視瞄準(zhǔn)、溫度現(xiàn)場顯示、4～20 mA輸出、串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

數(shù)據(jù)采集及處理裝置通過串口分別與黑體輻射源和光電高溫計連接，實現(xiàn)黑體輻射源溫度值和光電高溫計溫度值的實時讀取。黑體輻射源和光電高溫計的指令集不同，需分別設(shè)計通訊流程。

2 軟件設(shè)計

光電高溫計自動測試軟件具備流程控制、數(shù)據(jù)采集與處理、波動度分析計算、歷史數(shù)據(jù)回看等功能［15］。在用戶選擇設(shè)備、輸入?yún)?shù)后，開始如圖4所示的測試流程。

圖4 光電高溫計自動測試系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flowchart of photoelectric pyrometer automatic test system

根據(jù)測試流程圖及操作邏輯，將軟件分為流程控制模塊、通訊模塊、波動度計算模塊、數(shù)據(jù)處理與顯示模塊四部分。其中，流程控制模塊用于判斷當(dāng)前黑體輻射源所處狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)決定下一步操作；通訊模塊分別與固定點黑體輻射源和被測光電高溫計通訊，實現(xiàn)固定點黑體輻射源溫度控制、溫度讀取和光電高溫計數(shù)據(jù)讀取；波動度計算模塊在凝固過程中啟動，自動計算凝固溫坪內(nèi)光電高溫計輸出波動度；數(shù)據(jù)顯示與分析模塊用于實現(xiàn)軟件界面顯示、數(shù)據(jù)存取方式選擇等功能。

2.1 流程控制模塊

流程控制模塊是讀數(shù)線程的一部分。每次讀取固定點黑體輻射源和光電高溫計數(shù)據(jù)前，計算當(dāng)前系統(tǒng)時間與當(dāng)前狀態(tài)開始時間之差，判斷時間間隔與期望時間間隔的大小關(guān)系用于流程控制。

流程控制模塊根據(jù)用戶輸入的條件自動生成二維數(shù)組，數(shù)組名為flowControl，數(shù)組類型為float類型，數(shù)組大小為2×n，其中n為狀態(tài)個數(shù)。n的計算公式為

flowControl數(shù)組的典型值如表1所示。

表1 flowControl數(shù)組典型值Tab.1 Typical value of flowControl array

流程控制模塊流程圖如圖5所示。

圖5 光電高溫計自動測試系統(tǒng)流程控制模塊流程圖Fig.5 Flow chart of control module of photoelectric pyrometer automatic test system

2.2 通訊模塊

Ag固定點黑體輻射源采用串口與上位機通訊，遵循Modbus協(xié)議，采用問答模式，分別實現(xiàn)黑體輻射源的溫度設(shè)定和數(shù)據(jù)采集。被測光電高溫計也采用串口與上位機通訊，上電后以固定時間間隔向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機接收到一個數(shù)據(jù)長度的數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)停止位，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

以上通訊調(diào)試完成后封裝為.dll文件，留出函數(shù)接口bool setTemp（float temp），float getTempAg（），float getTempIR（）供主程序調(diào)用，增強了代碼的可讀性，便于Ag固定點黑體輻射源和光電高溫計的后續(xù)開發(fā)。

2.3 波動度計算模塊

波動度計算模塊只在溫度從熔化溫度降至凝固溫度階段啟用。該模塊設(shè)計長度為l的隊列，每次采集到光電高溫計讀數(shù)后將其送入隊列，數(shù)據(jù)量超過l后遵循先入先出模式刪除多余數(shù)據(jù)，同時計算隊列內(nèi)最大值與最小值之差，即為波動度。波動度隊列實時更新，直至凝固階段結(jié)束。l的大小與光電高溫計數(shù)據(jù)傳輸速度、波動度計算時間、凝固溫坪時間有關(guān)，本文使用的光電高溫計每3 s傳輸一個數(shù)據(jù)，設(shè)計l=100即可計算5 min內(nèi)的波動度。波動度計算模塊流程圖如圖6所示。當(dāng)具有多個溫度循環(huán)時，每個循環(huán)可得到一個波動度計算結(jié)果。

圖6 光電高溫計自動測試系統(tǒng)波動度計算模塊流程圖Fig.6 Flow chart of fluctuation calculation module of photoelectric pyrometer automatic test system

2.4 數(shù)據(jù)顯示與分析

測試數(shù)據(jù)使用曲線圖顯示，光電高溫計自動測試系統(tǒng)軟件界面如圖7所示，紅色為固定點黑體輻射源的溫度曲線，縱坐標(biāo)為右側(cè)坐標(biāo)，單位為攝氏度（℃）；黃色為被測光電高溫計的輸出曲線，縱坐標(biāo)為左側(cè)坐標(biāo)，單位為毫伏（mV）。界面設(shè)計有菜單欄和狀態(tài)欄，菜單欄具有刷新串口、記錄（存儲和讀?。?、開始測量、幫助等菜單，狀態(tài)欄顯示當(dāng)前存儲/讀取的路徑、系統(tǒng)時間、采樣次數(shù)等。主界面上方分別為參數(shù)設(shè)置部分和結(jié)果顯示部分。

3 試驗驗證

3.1 試驗步驟

光電高溫計自動測試系統(tǒng)原理圖如圖8所示。光闌位于黑體腔前，用于限制黑體輻射源的視場。固定點黑體輻射源的金屬容器為腔式，將高純度金屬放置于金屬容器內(nèi)，容器外壁纏繞的加熱絲對黑體腔進(jìn)行加熱。高溫狀態(tài)下向容器中通入惰性氣體，保證高純度金屬不被氧化。利用鉑電阻測量腔底溫度，對黑體輻射源進(jìn)行控溫。利用光電高溫計測量固定點黑體輻射源腔底溫度，得到光電高溫計對固定點溫坪的響應(yīng)數(shù)據(jù)，從而計算光電高溫計的波動度。

使用Ag固定點黑體輻射源作為標(biāo)準(zhǔn)器對UP系列660 nm標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計進(jìn)行測試，具體步驟如下：

1）裝置搭建

將氬氣氣瓶連接至Ag固定點黑體輻射源的氬氣入口，之后調(diào)節(jié)位移臺，使被測光電高溫計對準(zhǔn)Ag固定點黑體輻射源。

2）被測光電高溫計調(diào)焦

在光電高溫計前600 mm處放置一個邊緣清晰的目標(biāo)，通過目鏡觀察，旋轉(zhuǎn)物鏡直至目標(biāo)清晰可見。然后將光電高溫計瞄準(zhǔn)固定點黑體輻射源出口，使光電高溫計與固定點腔底的距離為600 mm。

3）通電、通氣

將光電高溫計與固定點黑體輻射源分別通電，打開氣瓶，調(diào)節(jié)固定點黑體輻射源進(jìn)氣流量為0.2～0.5 L/min。

4）參數(shù)設(shè)置

打開光電高溫計自動測試軟件，選擇光電高溫計和固定點黑體輻射源的端口號，設(shè)置循環(huán)次數(shù)、是否預(yù)熱、是否自動歸零等。

5）開始測量

選擇數(shù)據(jù)保存路徑后，點擊開始測量即可自動執(zhí)行設(shè)定的流程。測試結(jié)果保存為.txt文件，曲線圖同時保存為.jpg文件。

上述步驟完成后即可開始自動測量，無需測試人員對設(shè)備進(jìn)行更多操作，即可在設(shè)定時間之后得到測試數(shù)據(jù)。

3.2 測量不確定度評定

光電高溫計的溫度波動度測量模型為

式中：Δtf，tmax，tmin分別為光電高溫計的溫度波動度、溫度示值最大值、溫度示值最小值，℃；Δts為固定點黑體輻射源在一個溫坪內(nèi)的溫度波動度，℃。

假設(shè)測量模型中各分量互不相關(guān)，可得波動度測量的不確定度傳播律為

式中：c1=1；c2=1；c3=1。

通過分析測量模型可知，測量結(jié)果的不確定度來源包括光電高溫計的測量分辨力引入的不確定度和固定點黑體的溫坪溫度波動度引入的不確定度。

u(tmax)為光電高溫計溫度示值最大值的不確定度，由于光電高溫計的分辨力為0.01℃，服從均勻分布，包含因子故

u(tmin)為光電高溫計溫度示值最小值的不確定度，由于光電高溫計的分辨力為0.01℃，服從均勻分布，包含因子故

u(Δts)為固定點黑體輻射源在一個溫坪內(nèi)的溫度波動度，固定點黑體凝固點的復(fù)現(xiàn)性為±0.1℃，波動度遠(yuǎn)小于復(fù)現(xiàn)性，取±0.01℃，服從均勻分布，包含因子故

計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

擴(kuò)展不確定度U為

3.3 實際應(yīng)用

在環(huán)境適應(yīng)性試驗期間，每一項環(huán)境試驗結(jié)束后，使用光電高溫計自動測試系統(tǒng)測量得到光電高溫計在Ag固定點波動度的變化數(shù)據(jù)，作為判斷光電高溫計能否正常工作的依據(jù)，從而判斷光電高溫計能否通過環(huán)境適應(yīng)性實驗，是否需要進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計。光電高溫計環(huán)境適應(yīng)性實驗前后波動度變化結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 光電高溫計環(huán)境適應(yīng)性實驗前后波動度變化結(jié)果Tab.2 Fluctuation results of photoelectric pyrometer before and after environmental adaptability experiment

通過表2可知，光電高溫計在運輸振動、隨機振動、沖擊、傾斜跌落、濕熱試驗后，溫度波動度不大于0.11℃，溫度示值的最大偏差不大于0.3℃，符合技術(shù)指標(biāo)要求，通過了環(huán)境適應(yīng)性摸底考核。

在光電高溫計優(yōu)化設(shè)計期間，通過測試不同地線連接方式、不同屏蔽方式、不同上電順序?qū)怆姼邷赜嬙贏g固定點溫度波動度的影響，即可分析出合理的地線布局、屏蔽方式、上電順序。光電高溫計優(yōu)化設(shè)計前后波動度變化結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 光電高溫計優(yōu)化設(shè)計前后波動度變化結(jié)果Tab.3 Fluctuation results of photoelectric pyrometer before and after optimal design

分析表3數(shù)據(jù)可知，采用所有電路均接地的地線布局、增加外殼縫隙屏蔽、采用先正后負(fù)的上電順序，能夠使光電高溫計的波動度明顯減小，為光電高溫計的優(yōu)化設(shè)計提供了重要依據(jù)。

4 結(jié)論

設(shè)計了一套光電高溫計波動度自動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用固定點黑體輻射源溫坪的高穩(wěn)定性和高重復(fù)性，采用直接瞄準(zhǔn)法測量光電高溫計的波動度，利用專業(yè)軟件實現(xiàn)自動測量，可有效滿足UP系列光電高溫計的波動度測量需求，波動度測量的擴(kuò)展不確定度為0.015℃。

利用自動測試系統(tǒng)前，需要至少1 h的時間進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計也需要花費不少時間。光電高溫計波動度自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)了測試流程的自動化，操作人員只需5～10 min布置測試系統(tǒng)，之后軟件開始運行，經(jīng)過設(shè)定時間后即可得到測試數(shù)據(jù)。綜上所述，該系統(tǒng)在提高工作效率、簡化測試流程等方面具有重要意義。