基于Android的氣相色譜儀溫度自動檢定系統的設計

楊葉花，黃鋒，梁滿兵，張力玲，黃建林

（廣州計量檢測技術研究院，廣東廣州510030）

0 引言

隨著氣相色譜儀在化工、生物、食品、科研生產中的廣泛使用，許多地方計量部門建立了相應的氣相色譜儀檢定裝置，開展對地方氣相色譜儀的計量檢定工作。JJG 700-2016《氣相色譜儀檢定規程》規定了氣相色譜儀的柱箱溫度穩定性、程序升溫重復性的檢定方法［1］。目前，氣相色譜儀的溫度檢定大多處于人工檢測階段，采用鉑電阻溫度計和數字多用表或者色譜檢定專用測量儀聯用測量溫度值，秒表計時，規定的時間后將測量結果記錄到原始記錄上［2-4］，在給檢測機構帶來高額的人力成本、管理成本的同時，準確性和規范性也難以保證。

近年來，Android平臺在智能家居、醫療、安防系統、金融行業等［5-8］。各行各業都有了非常多的場景應用，但目前在計量檢定領域內Android移動終端的使用率還比較少。本文針對JJG 700-2016《氣相色譜儀檢定規程》，設計了一種可實現Android手機遠程顯示控制的氣相色譜儀溫度自動檢定系統，旨在減少檢定人員的工作量，提升檢定準確性和實驗室自動化能力，提高工作效率。

1 自動檢定系統的設計與實現

自動檢定系統選用的標準器是自主研發的一款溫度數據采集儀，Android手機作為遠程顯示控制器，按檢定規程進行測試，測試數據通過IIC轉USB模塊發送至手機端，完成測量結果的自動記錄、計算和顯示。

1.1 溫度數據采集儀的總體結構

溫度數據采集儀的結構示意圖如圖1所示，實物如圖2所示。被測鉑電阻和采樣標準電阻將溫度的變化轉化成變化的電信號，這兩個電信號通過A/D轉換模塊后由模擬信號轉化為數字信號，PC端或手機端通過IIC轉USB模塊讀取數字信號及參數，經過內部的軟件計算將這個數字信號和溫度聯系起來，成為可以顯示出來的溫度數值，顯示在電腦屏幕或手機屏幕上，以便觀察。

圖1 溫度數據采集儀結構示意圖

圖2 溫度數據采集儀實物圖

該溫度數據采集儀的外置傳感器為A級PT1000鉑熱電阻，根據IEC的規定，允差指標為±（0.15℃+其中，t為溫度，采樣標準電阻具有極低的溫度漂移特性和優異的長期穩定性。A/D轉換器選用MCP3422，可提供18位分辨力、2個輸入通道，且集成電壓參考、可編程增益放大器和振蕩器。采用比較法測量被測鉑電阻的阻值，通過兩個電壓的比對，有效避免A/D模塊溫度漂移、長期漂移特性及電源波動帶來的測量誤差。數據存儲器用于存儲溫度數據采集儀的編號、有效期、校準值和鉑電阻溫度計的分度表系數等信息，這些信息均可通過電腦操作輸入、修改、長期貯存。

1.2 Android手機端的應用程序

Android手機端程序采用 Java語言，用 Android Studio開發工具進行編寫，主要包括溫度檢定主界面、穩定性測試、重復性測試3個界面。

1.2.1溫度檢定主界面

圖3、圖4分別是溫度檢定主界面的設計流程圖和效果圖。打開APP，進入溫度檢定主界面，首先檢查器件是否通信成功。通信失敗則提醒：自檢失敗，請確保溫度探頭已正常連接；通信成功則提醒：自檢成功。

圖3 主界面設計流程圖

圖4 溫度檢定主界面

系統在自檢成功后，獲取儀器編號（如20002）和儀器的檢定有效期（例如2019-12-20），并判定儀器有效狀態，若有效日期呈綠色，則表示儀器當前日期離檢定有效期限長于15天；若呈紅色，則表示儀器超出檢定有效期，提示儀器需暫停檢定工作，立即申請計量檢定；若呈黃色，則表示當前日期距離檢定有效期限少于15天，提示盡快申請下一次計量檢定。

之后進入主循環，在程序的主循環中，啟動2個定時器，當定時器1溢出時，讀取ADC的值，多次采樣求平均值，計算被測電阻值；當定時器2溢出時，計算溫度值，APP上實時顯示當前測得的溫度值（例如26.46℃），刷新率為1次/s。單擊“穩定性測試”，進入溫度穩定性測試界面；單擊“重復性測試”，進入溫度重復性測試界面。

1.2.2溫度穩定性測試

圖5是溫度穩定性測試界面，可以設置采樣間隔和采樣總時長，達到完成不同測試任務的目的。單擊“開始測試”按鈕，系統開始測量，記錄每個測試溫度點并啟動倒計時功能，以便操作人員直觀判斷本次實驗還將持續多長時間。界面實時顯示第n個測試溫度點的值，根據柱箱溫度穩定性檢定方法，共記錄10個數據，測試任務完成后，根據式（1）計算柱箱溫度穩定性Δt1，然后顯示測試結果。

式中：tmax為相應點的最大溫度，℃；tmin為相應點的最小溫度，℃；ˉt為相應點的平均溫度，℃。

1.2.3溫度重復性測試

圖6是溫度重復性測試界面，與穩定性測試界面一樣，亦可設置采樣間隔和采樣總時長，共有三組測試可選，可選擇其中任意兩組或三組進行重復性測試，滿足不同測試任務的需要。一組測試任務完成后，可啟動另一組測試任務。完成2組測試任務后，根據式（2）計算程序升溫重復性Δt2。第三組測試任務完成后，重新計算并刷新重復性測試結果。

式中：t′max為相應點的最大溫度，℃；t′min為相應點的最小溫度，℃；ˉt′為相應點的平均溫度，℃。

圖5 溫度穩定性測試界面

圖6 溫度重復性測試界面

2 溫度數據采集儀準確性驗證

數據溫度采集儀的校準參照國家計量校準規范JJF 1366-2012進行［9］，使用某高精密數字溫度計1522A-12、恒溫槽RTS-40AB作為標準器，對其進行校準。將恒溫槽的溫度恒定在各被校溫度點，當恒溫槽溫度恒定30 min后，同時讀取精密數字溫度計及手機APP的實時顯示值，按“標準→被校→被?！鷺藴省钡捻樞蚍謩e讀取測量標準和手機APP的實時溫度值，進行兩個循環的讀數。精密數字溫度計的測量值經修正為約定真值，手機APP顯示值為實驗值，測量結果以實驗值與約定真值的差表示，即示值誤差。校準結果如圖7所示，在各校準點，示值誤差均小于0.30℃，證明該溫度數據采集儀可作為氣象色譜儀的標準器使用。

圖7 校準結果

3 結論

設計了基于Android技術的氣相色譜儀溫度自動檢定系統，完成了標準器溫度數據采集儀的設計和Android手機端應用程序設計及測試工作，并對溫度數據采集儀的準確性進行了測試。經過校準，其示值誤差小于0.30℃，在測量范圍和測量準確度方面，溫度數據采集儀完全達到了JJG 700-2016《氣相色譜儀檢定規程》對鉑電阻溫度計的技術指標要求；且Android手機端軟件能穩定高效地實現氣相色譜儀柱箱溫度穩定性和程序升溫穩定性檢定過程中數據的記錄和檢定結果的計算，減少了檢定人員的計算工作量，提高了檢定效率和測量準確度，達到了預期的設計效果。