郭曉冉，張 軍，雷正偉，華 翔，劉 福

(1.中國(guó)人民解放軍32181部隊(duì), 石家莊 050000; 2.河北省電子信息產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)院, 石家莊 050000)

現(xiàn)有的溫度檢定裝置都是針對(duì)某種特定的溫度傳感器進(jìn)行檢定[1-4]，形式上主要有兩類(lèi)：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(tài)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(tài)模擬，用于非接觸式溫度傳感器的檢定，主要是通過(guò)熱輻射、對(duì)流傳導(dǎo)熱量實(shí)現(xiàn)溫度傳感器的檢定[5-8]，例如紅外測(cè)溫傳感器。由于上述單機(jī)專(zhuān)用溫度傳感器檢定裝置體積較大，不便攜帶外出開(kāi)展檢定工作，同時(shí)單機(jī)專(zhuān)用溫度傳感器檢定裝置能耗也較大。

本文研究設(shè)計(jì)了一種能同時(shí)滿(mǎn)足不同溫度傳感器檢定使用的單機(jī)雙單元溫度傳感器檢定裝置。通過(guò)分析武器裝備中配套的常見(jiàn)通用溫度類(lèi)儀表、專(zhuān)用溫度儀表及鉑電阻類(lèi)溫度傳感器的計(jì)量保障需求，開(kāi)發(fā)了溫度測(cè)量設(shè)備單機(jī)雙單元檢定裝置。該裝置具備對(duì)裝備中常見(jiàn)溫度類(lèi)儀表、專(zhuān)用測(cè)溫設(shè)備及部分鉑電阻類(lèi)溫度傳感器的計(jì)量檢定能力，并可通過(guò)攜行實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)計(jì)量保障、遂行計(jì)量保障。

1 計(jì)量需求分析

通過(guò)對(duì)武器裝備中溫度測(cè)量設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)分析，得出測(cè)溫設(shè)備的主要檢定參數(shù)。(1)膨脹式溫度計(jì)及溫度傳感器測(cè)量范圍：-40 ℃～100 ℃，最大允許誤差：±0.1 ℃。(2)藥溫傳感器測(cè)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(cè)量設(shè)備、專(zhuān)用溫度測(cè)量設(shè)備的計(jì)量保障裝備，能夠按照需求產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)溫度，可自動(dòng)完成對(duì)各類(lèi)溫度測(cè)量設(shè)備及鉑電阻溫度傳感器(測(cè)量范圍：-40 ℃～100 ℃，最大允許誤差：±0.1 ℃)的檢定和校準(zhǔn)任務(wù)，以及專(zhuān)用藥溫傳感器(測(cè)量范圍：-40 ℃～50 ℃，概率誤差不大于1 ℃)的檢定和校準(zhǔn)任務(wù)。該系統(tǒng)可替代傳統(tǒng)手動(dòng)檢定，提高檢定效率，減少人為誤差。主要功能如下：

1)具備對(duì)藥溫傳感器等需以氣體作為檢定介質(zhì)的專(zhuān)用溫度測(cè)量設(shè)備進(jìn)行計(jì)量檢定、校準(zhǔn)或測(cè)試的能力。

2)具備對(duì)玻璃液體溫度表、鉑電阻溫度表等需以液體作為檢定介質(zhì)的通用溫度測(cè)量設(shè)備進(jìn)行計(jì)量檢定、校準(zhǔn)或測(cè)試的能力。

3)具備實(shí)時(shí)測(cè)量并顯示溫度檢定箱運(yùn)行參數(shù)的功能，使操作人員能直觀、方便地掌握運(yùn)行狀態(tài)；并可通過(guò)遠(yuǎn)程通訊功能，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。

4)具備在預(yù)定的范圍內(nèi)進(jìn)行溫度自動(dòng)控制的功能，同時(shí)具有壓縮機(jī)過(guò)壓、過(guò)溫的自我保護(hù)功能。

2 總體設(shè)計(jì)

檢定裝置主要由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成。硬件主要為溫度檢定系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)溫度場(chǎng)及溫度標(biāo)準(zhǔn)器。根據(jù)被檢溫度設(shè)備的需求不同，采用不同標(biāo)準(zhǔn)溫度場(chǎng)模式，針對(duì)通用溫度測(cè)量設(shè)備采用溫度檢定槽模式，針對(duì)藥溫傳感器提供溫度檢定箱模式。系統(tǒng)軟件由控制程序和檢定程序組成，能夠?qū)崟r(shí)采集與處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量檢定的自動(dòng)化。檢定裝置可裝配于計(jì)量檢定車(chē)上，執(zhí)行機(jī)動(dòng)計(jì)量保障任務(wù)。

2.1 系統(tǒng)組成

檢定裝置組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要由溫度標(biāo)準(zhǔn)器、溫度檢定環(huán)境(包括檢定箱和檢定槽)、溫度調(diào)整控制設(shè)備、計(jì)量狀態(tài)調(diào)整控制器及配套軟件組成。

圖1 溫度檢定裝置結(jié)構(gòu)框圖

檢定裝置工作原理：將被檢溫度傳感器和溫度標(biāo)準(zhǔn)器放置于溫度檢定環(huán)境中，被檢傳感器與標(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)線纜連接，由RS-232串行通信接口傳送至計(jì)算機(jī)，利用檢定軟件實(shí)現(xiàn)檢定工作的數(shù)據(jù)處理、分析與結(jié)果輸出。在規(guī)定的檢定點(diǎn)比對(duì)二者的示值誤差，從而判斷被檢傳感器的測(cè)量值是否合格。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

檢定裝置外形如圖2。圖2中溫度標(biāo)準(zhǔn)器提供用于檢定的標(biāo)準(zhǔn)溫度值，直接用于與被測(cè)溫度設(shè)備溫度值進(jìn)行比對(duì)；檢定箱和檢定槽為檢定提供恒溫的溫度場(chǎng)環(huán)境；溫度調(diào)整控制系統(tǒng)用于按要求實(shí)時(shí)調(diào)整所需計(jì)量點(diǎn)的溫度且準(zhǔn)確控制在允許誤差的范圍內(nèi)；計(jì)量狀態(tài)調(diào)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(biāo)準(zhǔn)器

因?yàn)闇囟葮?biāo)準(zhǔn)器需分別為特殊傳感器(藥溫傳感器)[9-10]和常見(jiàn)溫度測(cè)量設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)溫度值，所以溫度標(biāo)準(zhǔn)器選型分為兩種：

一種是標(biāo)準(zhǔn)藥溫傳感器，選用的標(biāo)準(zhǔn)藥溫傳感器，概率誤差為0.1 ℃；另一種是鉑電阻溫度標(biāo)準(zhǔn)器，選用數(shù)字式鉑電阻溫度表RCY-2D，具有讀數(shù)直觀、使用方便、準(zhǔn)確度高和抗振性能好等優(yōu)勢(shì)。

2.2.2溫度檢定設(shè)備

溫度檢定設(shè)備主要作用是提供均勻溫度場(chǎng)環(huán)境。根據(jù)被檢藥溫傳感器的構(gòu)造和功能，不能放在液體恒溫槽內(nèi)，因此溫度檢定環(huán)境選取兩種介質(zhì)：一種是溫度檢定箱，介質(zhì)為空氣；一種是溫度檢定槽，介質(zhì)為水。

1)溫度檢定箱

在攪拌系統(tǒng)作用下，傳熱介質(zhì)(空氣)先經(jīng)盤(pán)管蒸發(fā)器后再與加熱器進(jìn)行熱交換，使導(dǎo)熱介質(zhì)升溫或降溫，混合空氣進(jìn)入測(cè)試室，循環(huán)流動(dòng)，直至導(dǎo)熱介質(zhì)達(dá)到設(shè)定的溫度。溫度控制器對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度測(cè)量，其信號(hào)反饋至溫度測(cè)控系統(tǒng)，溫度測(cè)控系統(tǒng)控制調(diào)溫系統(tǒng)，進(jìn)行適量的加熱和制冷，從而使測(cè)試室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定的恒定溫度。

2)溫度檢定槽

在攪拌器的推動(dòng)下，傳熱介質(zhì)(水)在混合區(qū)自上而下流動(dòng)。先經(jīng)盤(pán)管蒸發(fā)器和加熱器進(jìn)行熱交換，使工作介質(zhì)達(dá)到設(shè)定溫度點(diǎn)后，由攪拌器進(jìn)行強(qiáng)烈攪動(dòng)，使溫度不甚均勻的介質(zhì)充分混合，并推動(dòng)介質(zhì)從底部流出，再導(dǎo)流向上進(jìn)入工作區(qū)。在工作區(qū)流動(dòng)過(guò)程中，要求介質(zhì)盡量減少與外界的熱交換，并具有一定的流動(dòng)速度，這樣才能保證工作區(qū)介質(zhì)溫度均勻，并為高質(zhì)量溫度控制創(chuàng)造良好條件。此后介質(zhì)再進(jìn)入混合區(qū)，依次作循環(huán)流動(dòng)。溫度控制器的溫度傳感器置于流體之中，用于測(cè)量溫度信號(hào)，使控溫系統(tǒng)根據(jù)槽溫的變化實(shí)時(shí)控制加熱器工作，自動(dòng)控制槽溫在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡。

3)溫度控制器

為使溫度場(chǎng)具備穩(wěn)定性，需選用溫度控制器。采用全進(jìn)口高精度溫度控制器，其內(nèi)部可以存儲(chǔ)10組預(yù)設(shè)PID參數(shù)，在-100 ℃～100 ℃溫度范圍內(nèi)，能夠根據(jù)需要自動(dòng)選擇最合適的PID參數(shù)進(jìn)行控制。根據(jù)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，其溫度控制穩(wěn)定性氣體達(dá)到0.1 ℃，液體達(dá)到0.01 ℃。

2.2.3溫度調(diào)整控制系統(tǒng)和計(jì)量狀態(tài)調(diào)整控制器

溫度調(diào)整控制系統(tǒng)主要由調(diào)溫設(shè)備、溫度測(cè)控設(shè)備、數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備等組成，如圖3所示。

調(diào)溫設(shè)備由制冷器、加熱器等組成；溫度測(cè)控設(shè)備由溫度控制器、鉑電阻、輔助控制電路，控制面板等組成；數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備由傳感器適配器、數(shù)據(jù)采集器組成。

計(jì)量狀態(tài)調(diào)整控制器由控制電路、冷媒控制器、管路等組成。根據(jù)被檢傳感器所需的工作介質(zhì)，發(fā)出相應(yīng)的指令給控制電路，控制電路判別槽(箱)體的實(shí)時(shí)狀態(tài)，自動(dòng)切換計(jì)量工作室，完成計(jì)量任務(wù)。其特點(diǎn)是一套制冷機(jī)組完成兩個(gè)槽體的計(jì)量工作，提高了整機(jī)的使用效率。

圖3 溫度調(diào)整控制系統(tǒng)組成框圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

使用Visual Studio軟件開(kāi)發(fā)，編程語(yǔ)言為VC++。VC++可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理，能夠綜合圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)程序效率較高、可靠性好，界面設(shè)計(jì)比較靈活，而且比較容易與數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)鏈接。

溫度檢定系統(tǒng)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(tǒng)軟件功能框圖

圖5 溫度檢定系統(tǒng)軟件主流程框圖

主要基于MS com串口組件實(shí)現(xiàn)對(duì)多串口數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，包括：串口狀態(tài)測(cè)試，設(shè)備控制命令發(fā)送，設(shè)備狀態(tài)查看，檢定數(shù)據(jù)的接收等操作。

針對(duì)數(shù)據(jù)保密性要求，系統(tǒng)提供身份驗(yàn)證和權(quán)限管理功能。系統(tǒng)采用一次登錄技術(shù)(即一次登錄，實(shí)現(xiàn)所有功能的權(quán)限管理)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)權(quán)限的認(rèn)證。采用基于角色的權(quán)限分配管理策略。身份驗(yàn)證密碼信息以MD5密文的方式存儲(chǔ)。

檢定參數(shù)包括設(shè)置檢定規(guī)程，檢定點(diǎn)，穩(wěn)定時(shí)間，以及檢定測(cè)試人員信息，環(huán)境參數(shù)輸入等內(nèi)容，采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理，可以減小檢定的重復(fù)工作量。

根據(jù)不同的檢定規(guī)程設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)處理算法，構(gòu)成算法庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢定數(shù)據(jù)的分析處理與檢定結(jié)果的判定。

數(shù)據(jù)記錄、證書(shū)和報(bào)告的輸出和打印，是檢定工作的重要內(nèi)容之一，也是數(shù)據(jù)處理及管理軟件的主要功能之一。因數(shù)據(jù)記錄、證書(shū)和報(bào)告的內(nèi)容豐富、格式復(fù)雜，傳統(tǒng)畫(huà)布式報(bào)表工具一方面不夠靈活，格式定義功能不能完全滿(mǎn)足系統(tǒng)需求，另一方面其操作復(fù)雜，代碼編寫(xiě)工作量大，調(diào)試測(cè)試周期長(zhǎng)，軟件質(zhì)量也難以保障。

根據(jù)數(shù)據(jù)處理及管理軟件報(bào)表復(fù)雜的需求特點(diǎn)，系統(tǒng)報(bào)表開(kāi)發(fā)采用ComponentOne公司提供的第三方報(bào)表組件ComponentOne Chart作為圖表生成中間件、ComponentOne VSFlexGrid Pro作為數(shù)據(jù)報(bào)表中間件，并為終端用戶(hù)提供數(shù)據(jù)報(bào)表的生成、展示、打印和文件導(dǎo)出等功能。該方案應(yīng)融合畫(huà)布式報(bào)表與單元格式報(bào)表兩種工具的優(yōu)點(diǎn)，既可以可視化地綁定數(shù)據(jù)，也可便捷排列，從而提高報(bào)表設(shè)計(jì)的效率。

3 系統(tǒng)不確定度分析與評(píng)定

檢定裝置的測(cè)量不確定度是衡量計(jì)量檢定/校準(zhǔn)工作可靠性的重要指標(biāo)，也是衡量被檢溫度測(cè)量設(shè)備溯源結(jié)果的主要依據(jù)。為保證檢定裝置對(duì)溫度傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確度，需要對(duì)測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。

3.1 統(tǒng)測(cè)量不確定度分析

主要從設(shè)備測(cè)量精度、測(cè)量環(huán)境等方面分析系統(tǒng)不確定度來(lái)源：(1)溫度標(biāo)準(zhǔn)器最小分辨力引入的不確定度；(2)溫度標(biāo)準(zhǔn)器的穩(wěn)定性引入的不確定度；(3)溫度標(biāo)準(zhǔn)器最大允許誤差引入的測(cè)量不確定度；(4)溫度檢定設(shè)備的均勻性引入的測(cè)量不確定度；(5)溫度檢定設(shè)備的分辨力引入的測(cè)量不確定度；(6)溫度檢定設(shè)備的允許誤差引入的測(cè)量不確定度。

3.2 系統(tǒng)測(cè)量不確定度評(píng)定

3.2.1A類(lèi)不確定度評(píng)定

A類(lèi)不確定度是指測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量，因本檢定裝置無(wú)測(cè)量重復(fù)性數(shù)據(jù)，此項(xiàng)忽略。

3.2.2B類(lèi)不確定度評(píng)定

B類(lèi)不確定度評(píng)定主要指由測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的誤差。

1)溫度標(biāo)準(zhǔn)器最小分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ub1

溫度標(biāo)準(zhǔn)器的最小分辨力為0.01 ℃，服從均勻分布，由其引入的測(cè)量不確定度為：

2)溫度標(biāo)準(zhǔn)器穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ub2

溫度標(biāo)準(zhǔn)器的年穩(wěn)定性估計(jì)為0.003 ℃，服從均勻分布，則由穩(wěn)定性引入測(cè)量不確定度為：

3)溫度標(biāo)準(zhǔn)器最大允許誤差引入的測(cè)量不確定度ub3

標(biāo)準(zhǔn)藥溫傳感器的誤差為±0.1 ℃，服從均勻分布，則其引入的測(cè)量不確定度為：

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

4)溫度檢定設(shè)備均勻性引入的測(cè)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(cè)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(cè)量不確定度為：

5)溫度檢定設(shè)備的分辨力引入的測(cè)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(cè)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(cè)量不確定度為：

6)溫度檢定設(shè)備的允許誤差引入的測(cè)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(cè)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(cè)量不確定度為：

7)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

溫度箱檢定設(shè)備合成不確定度為：

溫度槽檢定設(shè)備合成不確定度為：

8)擴(kuò)展不確定度U

溫度箱檢定設(shè)備擴(kuò)展不確定度：

U=kuc1=0.208 ℃ (k=2)

溫度槽檢定設(shè)備擴(kuò)展不確定度：

U=kuc2=0.024 ℃ (k=2)

因此，該溫度檢定裝置的擴(kuò)展不確定度不大于被檢藥溫傳感器、通用溫度測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確度的1/4，滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)的要求，適用于裝備溫度測(cè)量設(shè)備的計(jì)量檢定。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析武器裝備中配套的通用溫度測(cè)量設(shè)備和專(zhuān)用溫度測(cè)量設(shè)備的計(jì)量保障需求，設(shè)計(jì)了一種溫度測(cè)量設(shè)備單機(jī)雙單元檢定裝置，通過(guò)同一套控制系統(tǒng)控制，可完成檢定數(shù)據(jù)的采集、處理、報(bào)表生成；該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，使用靈活，適合部隊(duì)野外作業(yè)，尤其是部隊(duì)遂行保障中溫度測(cè)量設(shè)備的計(jì)量檢定。