一種基于Web和嵌入式系統的現場壓力計量校準系統

顧全/上海交通大學

0 引言

近年來，隨著各行業高速發展，特別是移動端新科技不斷發展，Web端開發應用的影響越來越廣泛，計量領域也正面臨新的問題和挑戰。利用計算機技術、網絡技術、通信技術，通過Web和嵌入式系統來提升計量校準業務管理水平、規范業務流程、提高工作效率和服務質量是全國各地計量部門信息化建設發展的趨勢。

現今在各行業使用的計量器具的用量越來越大，使用頻率越來越高，可是送檢周期長，導致計量器具一段時間無法使用。有些單位的部分計量器具長期在線使用，送檢會影響工作進度?？蛻魝冊絹碓较Ｍ嬃咳藛T能盡量上門完成工作，盡快獲取或網上查詢到證書。然而對于計量機構來說，計量檢測受到諸多方面的限制。例如現場檢定、校準、檢測必須依據相關技術文件規定的項目和方法，保證流程符合要求；原始記錄的錄入要符合真實性、信息完整性等要求；還有數據處理、結果評定、出具報告、核驗、批準等流程，這些都會占用不少時間。有些通用計量器具例如壓力表、玻璃轉子流量計等，由于檢定數量巨大，因此要求檢定周期短、完成流程規定時間短。這些都給計量檢測機構帶來了極大的工作量和時間要求的挑戰。基于以上計量工作的現狀，現場校準工作迫切的需求有以下幾點：一是按要求進行原始數據自動采集記錄計算；二是記錄信息快速全面地實時保存、計算和無線傳輸；三是在滿足相關規定的前提下，攜帶更輕更少的設備，以便可以前往現場實施計量檢測工作。

為適應新形勢下的現場計量工作的需要，經過多年的研究、設計、開發與完善，建立了一套在上門現場檢測環境條件下實現計量器具的檢測、原始數據自動采集記錄計算、及時通過無線網絡上傳到數據庫服務器，實驗室電腦端處理原始記錄及制作報告的系統。本系統以壓力表校準為例，依照現有規程JJG 52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規程》，基于嵌入式系統開發板，以LAMP+ExcelVBA為框架，實現上述功能。

1 系統設計

1.1 系統環境

本項目需要的開發環境和框架為：Linux+Apache+Python+MySQL+ExcelVBA，該平臺類似于Web開放平臺LAMP，擬以Linux作為嵌入式系統開發板樹莓派運行的操作系統，用Python語言設計人機交流的界面和數據庫傳輸，使用MySQL作為數據庫服務器，用ExcelVBA作為辦公室電腦上的開發語言。考慮到數據的異地存儲，本計量檢測系統需要鏈接云服務器，僅有本地存儲容易在硬件被破壞后損失數據，同時考慮到客戶自建服務器和內網及配套的成本，云服務器選擇的是新浪云SAE。ExcelVBA是Excel支持的編程語言,最大的作用是可以寫一段簡單的代碼來操作Excel中的數據，以實現現場數據在實驗室電腦端生成證書。

1.2 系統的硬件組成

本系統由7部分組成，結構示意如圖1，分別有：

1）嵌入式系統開發板（Raspberry）。系統核心部件，Python語言編程實現原始記錄信息輸入窗口、部分數據自動采集和計算數據、數據上傳服務器數據庫。

2）壓力變送器標準器。計量標準，用以傳輸標準壓力值的電壓模擬量。

3）溫濕度傳感器。提供環境溫濕度數據。

4）ADC模塊。將壓力變送器標準器輸出的電壓模擬量轉換成嵌入式系統開發板能夠讀取的數字信號。

5）便攜式移動端（手機）或平板電腦。以手機熱點連接，遠程登錄操控嵌入式系統開發板，用無線移動手機網絡上傳原始記錄。

6）云服務商提供的數據庫和服務器。接收并儲存手機上傳的原始記錄數據，傳輸給PC電腦。

7）PC電腦。位于實驗室的PC電腦，通過ExcelVBA連接數據庫查詢、處理數據并出具報告。

圖1 系統的結構組成

1.3 硬件電路

ADS1115模塊以i2c模式連接樹莓派，其scl、sda針腳需與樹莓派相應的scl、sda針腳相連；ADS115和溫濕度傳感器的VCC端與樹莓派5 VDC供電針腳相連；壓力變送器vcc端與24 VDC供電電源連接；四件的接地端都用黑線表示，如圖2所示。

圖2 系統各部件連接示意圖

1.4 系統搭建

系統搭建分為6個步驟：

1）使用樹莓派LX終端，安裝相應編程工具和升級部件。

2）使用python2（IDLE）編程實現溫濕度數據的獲取。

3）編程實現adc模塊ads1115的電壓數值的獲取，編程實現錄入原始記錄界面。

4）數據上傳與云端接收。

5）新浪云配置數據庫MySQL。

6）實驗室PC電腦端ExcelVBA設計，實現訪問新浪云數據庫讀取數據，并形成證書。

2 檢測流程

該流程是整個項目運行的關鍵。校準人員登錄系統，依據界面提示填入相關委托單位、器具、日期、地址等信息。然后連接相應規格標準器和被檢變送器，點擊取值鍵刷新溫濕度傳感器并記錄溫濕度值。使用氣體壓力校驗臺校準壓力表。在通電預熱15 min后，從下限開始平穩地打壓，觀察壓力表上的示值直到校準點，然后點擊界面相應取值點取值。在取值界面上讀取示值并填入界面相應輸入框后，重復上面的步驟直至上限，然后反方向平穩改變壓力，讀取并記錄輸出值直至下限，這為一次循環。然后點擊保存，系統會自動上傳數據至云服務器。流程如圖3所示。

3 實驗驗證、不確定度評定

3.1 標準器壓力示值測試

本系統的標準器壓力變送器的壓力示值測試方法參考JJG 882-2015《壓力變送器檢定規程》，被測壓力變送器的標準器和被檢變送器為達到熱平衡，需在參考條件下放至2 h。用準確的等級為0.05級的數字壓力表作為測試壓力變送器的標準器。測量后示值如表1所示。

圖3 使用系統的壓力表檢測流程

表1 測量數據

測試要求為示值誤差不超過壓力變送器的準確度等級0.25級決定的最大允許誤差（±0.25%乘以全量程），即為

MPEV=±0.25%×1.6 MPa=±0.004 MPa

由于示值誤差小于MPEV，所得的示值符合設計要求。

3.2 系統測量壓力表的不確定度評定

依據 JJG 52-2013 和 GB/T 27418-2017《測量不確定度判定和表示》，在符合規程要求的環境條件下選擇 0 ～ 1.6 MPa，準確度等級為 2.5 級的壓力表作為實驗對象，和0.25級作為標準器的壓力變送器安裝在校驗器上，以氣體為傳壓介質，直接比較法測量。通過加壓泵加壓，使壓力表示值升至校準點，讀取界面上示值和標準器示值，兩示值之差即為壓力表的示值誤差。

測量模型：

Δp=p-ps

式中：Δp——壓力表壓力值與標準器壓力值的差值；

p——壓力表的壓力值；ps——標準器的壓力值

標準不確定度的來源：

（1）標準器誤差引起的不確定度。

（2）壓力表示值重復性引入的不確定度。

（3）環境溫度引起的不確定度。由于符合規程要求，可以忽略。

對壓力表進行多次重復測量引起的標準不確定度u(p)主要來源于壓力表的壓力值的不確定度，可以通過連續測量得到測量列，采用A類方法進行評定。選擇樣品表單次標準實驗標準差最大的校準點進行分析得：

標準不確定度為：

u(p)=s(p)=0.005 16 MPa

標準器差值的標準不確定度u(ps)：

根據標準器的等級及量程得到標準器的最大允許誤差為±0.004 MPa，此值作為區間半寬a=0.004 MPa，認為在區間內是均勻分布的，取包含因子k=，標準不確定度u(ps)為

u(ps) == 0.002 31 MPa

合成標準不確定度uc(Δp)：

求靈敏系數：

對 Δp=p-ps式進行微分

得靈敏系數：

輸入量的標準不確定度匯總如表2所示。

表2 標準不確定度匯總表

因為u(p)與u(ps)彼此獨立不相關，所以合成標準不確定度可按下式得到：

壓力表示值的擴展不確定度：U= 0.011 MPa（k= 2）。

4 結語

本系統是為適應新形勢下的計量檢測的需要，建立了一個計量信息采集自動化、數據信息資源化、證書報告傳輸網絡化的平臺。凡是以電學量輸出的傳感器為標準器的計量檢測，都可以應用該項目的方法，實現大多數計量檢測能使用手機或平板電腦做直接記錄檢測過程。