溫度測量設備單機雙單元檢定裝置研究

郭曉冉，張 軍，雷正偉，華 翔，劉 福

(1.中國人民解放軍32181部隊, 石家莊 050000; 2.河北省電子信息產品監督檢驗院, 石家莊 050000)

現有的溫度檢定裝置都是針對某種特定的溫度傳感器進行檢定[1-4]，形式上主要有兩類：一種是溫度檢定槽，另一種是溫度檢定箱。溫度檢定槽屬于液態模擬，用于接觸式溫度傳感器的檢定，例如電阻式溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器等；溫度檢定箱屬于氣態模擬，用于非接觸式溫度傳感器的檢定，主要是通過熱輻射、對流傳導熱量實現溫度傳感器的檢定[5-8]，例如紅外測溫傳感器。由于上述單機專用溫度傳感器檢定裝置體積較大，不便攜帶外出開展檢定工作，同時單機專用溫度傳感器檢定裝置能耗也較大。

本文研究設計了一種能同時滿足不同溫度傳感器檢定使用的單機雙單元溫度傳感器檢定裝置。通過分析武器裝備中配套的常見通用溫度類儀表、專用溫度儀表及鉑電阻類溫度傳感器的計量保障需求，開發了溫度測量設備單機雙單元檢定裝置。該裝置具備對裝備中常見溫度類儀表、專用測溫設備及部分鉑電阻類溫度傳感器的計量檢定能力，并可通過攜行實現機動計量保障、遂行計量保障。

1 計量需求分析

通過對武器裝備中溫度測量設備的技術指標分析，得出測溫設備的主要檢定參數。(1)膨脹式溫度計及溫度傳感器測量范圍：-40 ℃～100 ℃，最大允許誤差：±0.1 ℃。(2)藥溫傳感器測量范圍：-40 ℃～50 ℃，概率誤差不大于1 ℃。

該溫度檢定裝置作為通用溫度測量設備、專用溫度測量設備的計量保障裝備，能夠按照需求產生標準溫度，可自動完成對各類溫度測量設備及鉑電阻溫度傳感器(測量范圍：-40 ℃～100 ℃，最大允許誤差：±0.1 ℃)的檢定和校準任務，以及專用藥溫傳感器(測量范圍：-40 ℃～50 ℃，概率誤差不大于1 ℃)的檢定和校準任務。該系統可替代傳統手動檢定，提高檢定效率，減少人為誤差。主要功能如下：

1)具備對藥溫傳感器等需以氣體作為檢定介質的專用溫度測量設備進行計量檢定、校準或測試的能力。

2)具備對玻璃液體溫度表、鉑電阻溫度表等需以液體作為檢定介質的通用溫度測量設備進行計量檢定、校準或測試的能力。

3)具備實時測量并顯示溫度檢定箱運行參數的功能，使操作人員能直觀、方便地掌握運行狀態；并可通過遠程通訊功能，實現與上位機的數據通訊。

4)具備在預定的范圍內進行溫度自動控制的功能，同時具有壓縮機過壓、過溫的自我保護功能。

2 總體設計

檢定裝置主要由系統硬件和系統軟件組成。硬件主要為溫度檢定系統提供標準溫度場及溫度標準器。根據被檢溫度設備的需求不同，采用不同標準溫度場模式，針對通用溫度測量設備采用溫度檢定槽模式，針對藥溫傳感器提供溫度檢定箱模式。系統軟件由控制程序和檢定程序組成，能夠實時采集與處理數據，實現計量檢定的自動化。檢定裝置可裝配于計量檢定車上，執行機動計量保障任務。

2.1 系統組成

檢定裝置組成結構見圖1，主要由溫度標準器、溫度檢定環境(包括檢定箱和檢定槽)、溫度調整控制設備、計量狀態調整控制器及配套軟件組成。

圖1 溫度檢定裝置結構框圖

檢定裝置工作原理：將被檢溫度傳感器和溫度標準器放置于溫度檢定環境中，被檢傳感器與標準器的測量數據經線纜連接，由RS-232串行通信接口傳送至計算機，利用檢定軟件實現檢定工作的數據處理、分析與結果輸出。在規定的檢定點比對二者的示值誤差，從而判斷被檢傳感器的測量值是否合格。

2.2 硬件設計

檢定裝置外形如圖2。圖2中溫度標準器提供用于檢定的標準溫度值，直接用于與被測溫度設備溫度值進行比對；檢定箱和檢定槽為檢定提供恒溫的溫度場環境；溫度調整控制系統用于按要求實時調整所需計量點的溫度且準確控制在允許誤差的范圍內；計量狀態調整控制器主要完成檢定箱與檢定槽的控制和切換。

圖2 溫度檢定裝置示意圖

2.2.1溫度標準器

因為溫度標準器需分別為特殊傳感器(藥溫傳感器)[9-10]和常見溫度測量設備提供標準溫度值，所以溫度標準器選型分為兩種：

一種是標準藥溫傳感器，選用的標準藥溫傳感器，概率誤差為0.1 ℃；另一種是鉑電阻溫度標準器，選用數字式鉑電阻溫度表RCY-2D，具有讀數直觀、使用方便、準確度高和抗振性能好等優勢。

2.2.2溫度檢定設備

溫度檢定設備主要作用是提供均勻溫度場環境。根據被檢藥溫傳感器的構造和功能，不能放在液體恒溫槽內，因此溫度檢定環境選取兩種介質：一種是溫度檢定箱，介質為空氣；一種是溫度檢定槽，介質為水。

1)溫度檢定箱

在攪拌系統作用下，傳熱介質(空氣)先經盤管蒸發器后再與加熱器進行熱交換，使導熱介質升溫或降溫，混合空氣進入測試室，循環流動，直至導熱介質達到設定的溫度。溫度控制器對導熱介質實時進行溫度測量，其信號反饋至溫度測控系統，溫度測控系統控制調溫系統，進行適量的加熱和制冷，從而使測試室內溫度達到設定的恒定溫度。

2)溫度檢定槽

在攪拌器的推動下，傳熱介質(水)在混合區自上而下流動。先經盤管蒸發器和加熱器進行熱交換，使工作介質達到設定溫度點后，由攪拌器進行強烈攪動，使溫度不甚均勻的介質充分混合，并推動介質從底部流出，再導流向上進入工作區。在工作區流動過程中，要求介質盡量減少與外界的熱交換，并具有一定的流動速度，這樣才能保證工作區介質溫度均勻，并為高質量溫度控制創造良好條件。此后介質再進入混合區，依次作循環流動。溫度控制器的溫度傳感器置于流體之中，用于測量溫度信號，使控溫系統根據槽溫的變化實時控制加熱器工作，自動控制槽溫在設定溫度范圍內，達到一個動態的平衡。

3)溫度控制器

為使溫度場具備穩定性，需選用溫度控制器。采用全進口高精度溫度控制器，其內部可以存儲10組預設PID參數，在-100 ℃～100 ℃溫度范圍內，能夠根據需要自動選擇最合適的PID參數進行控制。根據相關技術指標，其溫度控制穩定性氣體達到0.1 ℃，液體達到0.01 ℃。

2.2.3溫度調整控制系統和計量狀態調整控制器

溫度調整控制系統主要由調溫設備、溫度測控設備、數據采集處理設備等組成，如圖3所示。

調溫設備由制冷器、加熱器等組成；溫度測控設備由溫度控制器、鉑電阻、輔助控制電路，控制面板等組成；數據采集處理設備由傳感器適配器、數據采集器組成。

計量狀態調整控制器由控制電路、冷媒控制器、管路等組成。根據被檢傳感器所需的工作介質，發出相應的指令給控制電路，控制電路判別槽(箱)體的實時狀態，自動切換計量工作室，完成計量任務。其特點是一套制冷機組完成兩個槽體的計量工作，提高了整機的使用效率。

圖3 溫度調整控制系統組成框圖

2.3 軟件設計

使用Visual Studio軟件開發，編程語言為VC++。VC++可進行數據采集及數據處理，能夠綜合圖形化開發平臺和標準化平臺的優點，開發程序效率較高、可靠性好，界面設計比較靈活，而且比較容易與數據庫管理系統鏈接。

溫度檢定系統軟件的主要功能如圖4所示，軟件的主流程如圖5所示。

圖4 溫度檢定系統軟件功能框圖

圖5 溫度檢定系統軟件主流程框圖

主要基于MS com串口組件實現對多串口數據的讀寫操作，包括：串口狀態測試，設備控制命令發送，設備狀態查看，檢定數據的接收等操作。

針對數據保密性要求，系統提供身份驗證和權限管理功能。系統采用一次登錄技術(即一次登錄，實現所有功能的權限管理)實現對用戶權限的認證。采用基于角色的權限分配管理策略。身份驗證密碼信息以MD5密文的方式存儲。

檢定參數包括設置檢定規程，檢定點，穩定時間，以及檢定測試人員信息，環境參數輸入等內容，采用數據庫管理，可以減小檢定的重復工作量。

根據不同的檢定規程設計不同的數據處理算法，構成算法庫實現對檢定數據的分析處理與檢定結果的判定。

數據記錄、證書和報告的輸出和打印，是檢定工作的重要內容之一，也是數據處理及管理軟件的主要功能之一。因數據記錄、證書和報告的內容豐富、格式復雜，傳統畫布式報表工具一方面不夠靈活，格式定義功能不能完全滿足系統需求，另一方面其操作復雜，代碼編寫工作量大，調試測試周期長，軟件質量也難以保障。

根據數據處理及管理軟件報表復雜的需求特點，系統報表開發采用ComponentOne公司提供的第三方報表組件ComponentOne Chart作為圖表生成中間件、ComponentOne VSFlexGrid Pro作為數據報表中間件，并為終端用戶提供數據報表的生成、展示、打印和文件導出等功能。該方案應融合畫布式報表與單元格式報表兩種工具的優點，既可以可視化地綁定數據，也可便捷排列，從而提高報表設計的效率。

3 系統不確定度分析與評定

檢定裝置的測量不確定度是衡量計量檢定/校準工作可靠性的重要指標，也是衡量被檢溫度測量設備溯源結果的主要依據。為保證檢定裝置對溫度傳感器測量的準確度，需要對測量不確定度進行評定。

3.1 統測量不確定度分析

主要從設備測量精度、測量環境等方面分析系統不確定度來源：(1)溫度標準器最小分辨力引入的不確定度；(2)溫度標準器的穩定性引入的不確定度；(3)溫度標準器最大允許誤差引入的測量不確定度；(4)溫度檢定設備的均勻性引入的測量不確定度；(5)溫度檢定設備的分辨力引入的測量不確定度；(6)溫度檢定設備的允許誤差引入的測量不確定度。

3.2 系統測量不確定度評定

3.2.1A類不確定度評定

A類不確定度是指測量重復性引入的不確定度分量，因本檢定裝置無測量重復性數據，此項忽略。

3.2.2B類不確定度評定

B類不確定度評定主要指由測量標準裝置引入的誤差。

1)溫度標準器最小分辨力引入的標準不確定度ub1

溫度標準器的最小分辨力為0.01 ℃，服從均勻分布，由其引入的測量不確定度為：

2)溫度標準器穩定性引入的標準不確定度ub2

溫度標準器的年穩定性估計為0.003 ℃，服從均勻分布，則由穩定性引入測量不確定度為：

3)溫度標準器最大允許誤差引入的測量不確定度ub3

標準藥溫傳感器的誤差為±0.1 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

鉑電阻數字溫度表的最大允許誤差±0.01 ℃，服從均勻分布，測量不確定度分量為：

4)溫度檢定設備均勻性引入的測量不確定度ub4

溫度檢定箱的均勻性為0.1 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

溫度檢定槽的均勻性為0.003 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

5)溫度檢定設備的分辨力引入的測量不確定度ub5

溫度檢定箱的分辨力為0.01 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

溫度檢定槽的分辨力為0.01 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

6)溫度檢定設備的允許誤差引入的測量不確定度ub6

溫度檢定箱的允許誤差為±0.1 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

溫度檢定槽的允許誤差為±0.01 ℃，服從均勻分布，則其引入的測量不確定度為：

7)合成標準不確定度uc

溫度箱檢定設備合成不確定度為：

溫度槽檢定設備合成不確定度為：

8)擴展不確定度U

溫度箱檢定設備擴展不確定度：

U=kuc1=0.208 ℃ (k=2)

溫度槽檢定設備擴展不確定度：

U=kuc2=0.024 ℃ (k=2)

因此，該溫度檢定裝置的擴展不確定度不大于被檢藥溫傳感器、通用溫度測量設備準確度的1/4，滿足技術指標的要求，適用于裝備溫度測量設備的計量檢定。

4 結論

本文通過分析武器裝備中配套的通用溫度測量設備和專用溫度測量設備的計量保障需求，設計了一種溫度測量設備單機雙單元檢定裝置，通過同一套控制系統控制，可完成檢定數據的采集、處理、報表生成；該系統自動化程度高，使用靈活，適合部隊野外作業，尤其是部隊遂行保障中溫度測量設備的計量檢定。