余松林，王曉丹，王 喆，李強(qiáng)光

(天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，天津 300192)

0 引言

溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀可自動(dòng)采集被測(cè)溫度信號(hào)，是具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記錄和通信等功能的溫度測(cè)量?jī)x表。溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀高度集成了溫度傳感器、測(cè)量電路、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)，體積小、測(cè)量精度高，廣泛應(yīng)用于制藥工程、食品加工和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。

與測(cè)量傳感器和測(cè)量?jī)x表分離的傳統(tǒng)測(cè)溫設(shè)備相比，溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀特別適用于密封設(shè)備，如冷鏈運(yùn)輸車、巴氏滅菌器、清洗消毒設(shè)備和熱力滅菌設(shè)備溫度計(jì)等[1-5]。

目前，市場(chǎng)上廣泛使用的溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀多為國(guó)外產(chǎn)品。針對(duì)市場(chǎng)需求，本文研制了一種基于Pt1000溫度傳感器和LabView上位機(jī)系統(tǒng)的小型溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀。該設(shè)備外殼采用316 L不銹鋼材料封裝，具有防水、抗壓功能，可應(yīng)用于高溫、高濕環(huán)境溫度參數(shù)的測(cè)量。該設(shè)備的具體參數(shù)為：測(cè)溫范圍達(dá)到-40～+140 ℃；測(cè)量分辨力為0.01 ℃；測(cè)量精度絕對(duì)值優(yōu)于0.1 ℃；整機(jī)工作電流為8.4 mA；可連續(xù)工作240 h；最大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為32 767組。試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫、高濕環(huán)境中，能夠精確測(cè)量密封設(shè)備中的溫度參數(shù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀的測(cè)溫范圍為-40～+140 ℃，測(cè)量精度絕對(duì)值優(yōu)于0.1 ℃。同時(shí)，受其工作環(huán)境影響，溫度數(shù)據(jù)采集儀還應(yīng)具有一定的防水、抗壓性能。本研究采用較寬溫度測(cè)量范圍的測(cè)量芯片，滿足測(cè)量電路的要求；同時(shí)，采用316 L不銹鋼對(duì)電路進(jìn)行外殼封裝，以滿足防水抗壓要求。

1.1 溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀硬件電路設(shè)計(jì)

溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)方式，主要包括溫度采集模塊、主控模塊、存儲(chǔ)模塊和電池管理模塊四個(gè)部分。為便于封裝，測(cè)量印制電路板(printed cincuit board,PCB)設(shè)計(jì)為圓型，整體直徑為15 mm。

1.1.1 溫度采集模塊電路設(shè)計(jì)

溫度采集模塊采用TI公司的PGA900ARHHR作為溫度采集芯片。該芯片測(cè)量精度可達(dá)到24位，溫度工作范圍為-40～+150 ℃。溫度采集模塊電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 溫度采集模塊電路設(shè)計(jì)圖

電路通過(guò)代碼調(diào)試器工作平臺(tái)對(duì)PGA900ARHHR芯片上的ARM Cortex M0處理器編程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog to digital conrerter,ADC)位數(shù)及放大倍數(shù)的配置。采集的溫度數(shù)據(jù)采用中值濾波算法進(jìn)行處理，并通過(guò)串口發(fā)送至主控芯片[6]。

1.1.2 主控模塊電路設(shè)計(jì)

主控模塊電路以ST公司的STM8AF6223作為主控芯片。STM8AF6223的工作電壓范圍為3～5.5 V，在工作溫度范圍(-40～+150 ℃)內(nèi)精度可達(dá)到8位。主控模塊電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 主控模塊電路設(shè)計(jì)圖

主控模塊電路功能主要包括采集并存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)、選擇工作時(shí)間模式、校準(zhǔn)恒流源、傳輸數(shù)據(jù)及指令下達(dá)和采集及檢測(cè)電池電量。數(shù)據(jù)傳輸及指令下達(dá)通過(guò)串口與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行，電池電量的采集及檢測(cè)利用芯片上10 bit ADC實(shí)現(xiàn)。恒流源電流通過(guò)R16進(jìn)行校準(zhǔn)，而工作時(shí)間模式通過(guò)P6和P4進(jìn)行選擇。測(cè)量電路以Pt1000鉑電阻為溫度傳感器，采用四線制比值法消除引線電阻干擾，以提高測(cè)量精度[7]。

1.1.3 存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)模塊電路采用MICRCHIP公司的25LC256-H作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片。該芯片支持串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，電可擦寫(xiě)次數(shù)大于1 000 000次，存儲(chǔ)空間為256 KB，共可存儲(chǔ)32 762組8位數(shù)據(jù)，支持在-40～+140 ℃范圍內(nèi)工作。存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)圖

1.1.4 電池管理模塊電路設(shè)計(jì)

電池管理模塊主要由LINEAR公司的LTC3124和LT3060-5主芯片構(gòu)成。LTC3124芯片可實(shí)現(xiàn)DC-DC升壓轉(zhuǎn)換。其輸入電壓為1.8～5.5 V;工作溫度范圍較寬，為-40～+150 ℃。LT3060-5芯片工作電壓為1.6～45 V，可微功率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)低壓差電壓線性穩(wěn)壓。芯片內(nèi)部具有反向電池保護(hù)、反向輸出保護(hù)、反向電流保護(hù)、折返電流限制和熱停機(jī)等保護(hù)電路[8]。

電池管理模塊電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 電池管理模塊電路設(shè)計(jì)圖

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)采集部分基于TI公司代碼調(diào)試器工作平臺(tái)對(duì)PGA900ARHHR進(jìn)行編程，并通過(guò)其配置串口通信協(xié)議將經(jīng)過(guò)均值濾波的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲(chǔ)模塊[9]。系統(tǒng)軟件的控制部分基于ST公司的STM8AF6223STVD控制芯片進(jìn)行編程，采用ST公司的視覺(jué)程序開(kāi)發(fā)編程環(huán)境，利用串行調(diào)試接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)程序中，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息分為電池電壓信息、恒流源校準(zhǔn)電流信息、數(shù)據(jù)末尾地址信息、工作模式選擇信息及24位溫度采集信息。此外，溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀上位機(jī)系統(tǒng)軟件還可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取、顯示、導(dǎo)出、溫度校準(zhǔn)，以及操作、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)重啟和清除等指令的下達(dá)[10-11]。

1.3 外殼封裝設(shè)計(jì)

溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀工作環(huán)境較為嚴(yán)苛，高溫、高濕環(huán)境對(duì)外殼的密閉性和防水抗壓性均提出了挑戰(zhàn)。本研究采用316 L不銹鋼作為外殼加工材料，外觀結(jié)構(gòu)為圓柱型。封裝外殼主要由金屬封裝底座和頂部、Pt1000溫度傳感器、通信觸點(diǎn)A和通信觸點(diǎn)B構(gòu)成。圓柱型設(shè)計(jì)有利于在狹小密封環(huán)境中使用通信觸點(diǎn)。金屬外殼材質(zhì)保證了整機(jī)具有防水抗壓功能。此外，通信觸點(diǎn)采用數(shù)字模擬接口串口，避免了外部高濕環(huán)境影響造成的測(cè)量電路或電池短路。

外殼封裝設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 外殼封裝設(shè)計(jì)圖

1.4 控制軟件設(shè)計(jì)

溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀控制軟件界面主要包括串口端口號(hào)下拉列表框、傳輸速率微調(diào)按鈕、串口開(kāi)關(guān)按鈕、重讀存儲(chǔ)按鈕、清空存儲(chǔ)按鈕、清空數(shù)據(jù)按鈕、提示燈、電池電量文本框、電流值文本框、數(shù)據(jù)總量文本框、溫度-采集時(shí)間折線圖和Excel工作表按鈕。通過(guò)選擇串口端口號(hào)，使得控制軟件與電腦連接，并通過(guò)傳輸速率微調(diào)按鈕實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)節(jié)。傳輸數(shù)據(jù)分為電池電量位、電流數(shù)據(jù)位、數(shù)據(jù)讀取結(jié)束位、時(shí)間標(biāo)志位和數(shù)據(jù)位。測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)Excel工作表按鈕導(dǎo)出至Excel表格。導(dǎo)出的每組數(shù)據(jù)均包括采集數(shù)據(jù)值及其對(duì)應(yīng)采集時(shí)間。

2 示值誤差校準(zhǔn)試驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀的測(cè)量準(zhǔn)確性，采用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和恒溫槽進(jìn)行示值誤差校準(zhǔn)試驗(yàn)。溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

表1 溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀校準(zhǔn)結(jié)果

在-40～+140 ℃校準(zhǔn)范圍內(nèi)，本文研制的溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀示值誤差范圍為0.00～0.06 ℃。該溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀在140 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)示值誤差最大，為0.06 ℃。整個(gè)校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)間約3 h，設(shè)備密封完好，功能正常無(wú)損傷。

3 醫(yī)用熱力滅菌設(shè)備溫度計(jì)的校準(zhǔn)

醫(yī)用熱力滅菌設(shè)備溫度計(jì)是利用密封腔體中的高溫蒸汽對(duì)載體進(jìn)行滅菌的設(shè)備。依據(jù)JJF 1308—2011[12]技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，使用研制的溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀對(duì)滅菌設(shè)備溫度計(jì)的溫度參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。主要參數(shù)包括示值誤差、溫度均勻度和滅菌保持時(shí)間。取三次重復(fù)試驗(yàn)的測(cè)量平均值為校準(zhǔn)結(jié)果。

醫(yī)用滅菌設(shè)備溫度計(jì)的溫度校準(zhǔn)曲線如圖7所示。

圖7 醫(yī)用滅菌設(shè)備溫度計(jì)的溫度校準(zhǔn)曲線

進(jìn)行校準(zhǔn)的滅菌設(shè)備溫度計(jì)的滅菌設(shè)定溫度為121 ℃，顯示溫度為121 ℃，三次測(cè)量平均值為121.66 ℃，計(jì)算可得示值誤差為0.66 ℃。滅菌保持時(shí)間為35 min，中心位置測(cè)量點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集儀的測(cè)量溫度最大值和最小值分別為121.84 ℃和121.38 ℃，計(jì)算可得溫度波動(dòng)度為0.46 ℃(U=0.25 ℃，k=2)。

4 結(jié)論

本文研制的溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀整機(jī)工作電流為8.4 mA，功耗僅30 mW。根據(jù)匹配電池容量，以4 000 mAH為例，該設(shè)備可連續(xù)工作240 h。該設(shè)備測(cè)溫范圍達(dá)到-40～+140 ℃，測(cè)量精度絕對(duì)值優(yōu)于0.1 ℃，可存儲(chǔ)32 767組8位數(shù)據(jù)。

此外，本文利用研制的溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀對(duì)醫(yī)用熱力滅菌設(shè)備溫度計(jì)的溫度參數(shù)進(jìn)行了校準(zhǔn)，獲得了溫度波動(dòng)度和示值誤差等參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀具有較高的測(cè)量精度和測(cè)溫范圍，具備市場(chǎng)化能力。

該設(shè)備推向市場(chǎng)后可替代國(guó)外同類測(cè)量設(shè)備，提高密封設(shè)備如醫(yī)用熱力滅菌設(shè)備溫度計(jì)、干熱烘箱、巴氏滅菌器和清洗消毒設(shè)備等的國(guó)內(nèi)計(jì)量檢測(cè)技術(shù)水平。