環境試驗設備檢驗自動化

文 | 工業和信息化部電子第五研究所 尚志紅 常少麗 中國科學院廣州電子技術研究所 鄭善鋒

環境試驗設備檢驗自動化

文 | 工業和信息化部電子第五研究所 尚志紅 常少麗 中國科學院廣州電子技術研究所 鄭善鋒

本文描述了實現環境試驗設備檢驗自動化的方法。根據國家標準、國家計量技術規范規定的檢驗步驟及方法，研制了環境試驗設備檢驗系統，該檢驗系統可由用戶選擇一種國家標準、國家計量技術規范進行檢驗，自動采集并保存測量點的溫濕度數據，按照選定的標準、規范規定的算法自動計算出檢驗項目的結果，極大地提高了檢驗工作效率。

環境試驗設備；檢驗自動化；溫度測量；濕度測量

1.言

環境試驗設備的性能出廠時需要檢驗，在使用過程中也需要定期檢驗。檢驗項目、檢驗方法在相關的國家標準、國家計量技術規范中有具體的規定[1～4]。需要檢驗的項目通常有溫度偏差、相對濕度偏差、溫度均勻度、相對濕度均勻度、溫度波動度、相對濕度波動度、溫度變化速率、每5min溫度平均變化速率、溫度過沖量、溫度過沖恢復時間、相對濕度過沖量、相對濕度過沖恢復時間、溫度指示誤差、相對濕度指示誤差等。對環境試驗設備進行檢驗，需要先按規定的檢驗方法及步驟，測量每個測量點的溫濕度，再根據國家標準、規范規定的算法，計算出檢驗項目的結果，評價被檢驗設備的性能。

目前，市場上可用于溫濕度測量的溫濕度儀表設備，有一些沒有能與計算機連接的功能，即使能與計算機連接，也沒有標準、規范規定的算法應用軟件的支持。我們研制了環境試驗設備檢驗系統，該檢驗系統可由用戶選擇任何一種標準、規范進行檢驗，設定溫濕度測量點數量，設定讀取測量點溫濕度數據的時間間隔和次數等參數，將各個測量點的溫濕度原始測量數據自動保存到數據庫，按照選定的標準、規范規定的算法自動計算溫（濕）度偏差、溫（濕）度均勻度、溫（濕）度波動度、溫（濕）度過沖量、溫（濕）度過沖恢復時間、溫（濕）度指示誤差、溫度變化速率、每5min溫度平均變化速率等參數，打印檢驗記錄報表，極大地提高了檢驗工作效率。

2.據采集器

國家標準、技術規范明確規定了溫濕度測量點的數量、傳感器的安放位置、讀取溫濕度測量點數據的時間、條件以及次數 等。GB/T 5170.2-2008，GB/T 5170.5-2008及 JJF 1101-2003都規定：設備容積大于2m3時，溫度測量點為15個，相對濕度測量點為4個；容積小于2m3時，溫度測量點為9個，相對濕度測量點為3個。GB/T 5170.5-2008在8.1.2.1條關于恒定濕熱試驗設備檢驗步驟中規定：“自工作空間進入控溫控濕狀態后穩定30min（穩定時間最長不超過2h），開始記錄各測量點的溫濕度值和設備指示的溫濕度值，每隔1min記錄一次，在30min內共記錄30次。”JJF 1101-2003的6.2.5條規定：“將試驗設備的溫、濕度控制器設定到所要求的標稱溫、濕度，使設備正常工作。穩定后開始讀數，每2min記錄所有測試點的溫、濕度一次，在30min內共測試15次。”JJF 1101-2003規定要檢驗的項目只有溫度偏差、相對濕度偏差、溫度均勻度、相對濕度均勻度、溫度波動度、相對濕度波動度。GB/T 5170.5-2008規定要檢驗的項目較多，除了JJF 1101-2003規定的檢驗項目之外，還有每5min溫度平均變化速率、溫度過沖量、溫度過沖恢復時間、相對濕度過沖量、相對濕度過沖恢復時間等。GB/T 5170.2-2008是溫度試驗設備的檢驗方法，沒有相對濕度的檢驗項目，但是，每5min溫度平均變化速率、溫度變化速率兩個檢驗項目都必須做。

綜上所述，根據需要檢驗的環境試驗設備，選用合適的國家標準、技術規范，從而確定采集溫濕度測量點數據的流程（以下簡稱采集流程），該采集流程規定了采集點、采集條件、采集時間等。

環境試驗設備檢驗系統由數據采集器及配套的軟件組成。圖1是數據采集器電路原理圖。數據采集器有30個通道，最多可測量30個溫度點或15個溫度點加15個濕度點。采用干濕球法測相對濕度。溫度傳感器采用Pt100鉑電阻。數據采集器通過USB接口與外接計算機連接，它主要包括恒流源電路、通道選擇電路、信號放大電路、A/D轉換、數據存儲區、控制單元、USB接口、擴展接口。

當采集流程確定之后，計算機將采集流程發送到采集器的控制單元，控制單元發出通道選通信號，選通某個通道，讓1mA恒定電流流經該通道的鉑電阻，鉑電阻兩端的電壓信號經放大后，進行A/D轉換，控制單元發送控制信號到A/D轉換器，控制啟動、停止A/D轉換，當A/D轉換結束后，數據暫時存放在數據儲存區，完成一個通道的溫濕度數據采集。控制單元再次發出選通信號，選通下一個通道，重復上述步驟，依次采集每個通道的溫濕度數據，直到最后一個通道，完成一輪巡檢，在下一輪巡檢到來之前，采集器將數據儲存區的數據發送給外接計算機，等待下一輪巡檢。

采用數據儲存區暫時存放采集數據的方法，可克服通訊接口帶來的時間延誤。每通道的采集時間約為2ms（包括A/D轉換時間、通道切換時間），約60ms可采集全部30個通道的溫濕度數據。這個時間已經足夠短，能滿足國家標準、技術規范規定的每隔1min(或2min、5min)記錄一次數據的要求。例如，當環境試驗設備容積大于2m3時，溫度測量點為15個，相對濕度測量點為4個，按GB/T 5170.5-2008的8.1.2.1條檢驗恒定濕熱試驗設備，每隔1min記錄一次，每次記錄19個溫濕度測量點數據，數據采集時間約等于38ms，約占1min測量間隔的1/1600。

為減少傳感器導線帶來的測量誤差，采用四線制接法，圖2是鉑電阻的四線制接法連接示意圖。

數據采集器的恒流源可提供約等于1mA恒定電流。為了盡量減少電路漂移帶來的測量誤差，數據采集器內置一只低溫度系數的RX70型精密線繞電阻作為標準電阻，標準電阻精度為±0.05%，其溫度系數在±25ppm/℃左右。在一般的溫度環境下標準電阻的溫度漂移不會影響測量精度。圖3是減少因電路漂移導致測量誤差的電路原理圖。

將Pt100鉑電阻置于溫度為t的待測量環境中，設鉑電阻為Rt ，精密線繞電阻值Rs，恒流源電流I。用MC14051芯片作為模擬開關，通過控制模擬開關的狀態，先讓恒定電流流經精密線繞電阻，采集精密線繞電阻兩端電壓信號Us，再讓恒定電流流經鉑電阻傳感器，采集鉑電阻兩端電壓信號Ut。由于切換模擬開關狀態所需時間極短（約100us），可以認為電路（包括恒流源電路、放大器電路等）的漂移為零。由歐姆定律得知：

I=Us/Rs

Rt=Ut/I=Ut Rs / Us （1）

由式（1）可知，Rt與恒流源電流I無關，根據Rt值查找Pt100鉑電阻分度表換算出待測溫度t。

采用干濕球法測相對濕度。干濕兩個溫度傳感器配對使用，根據干濕兩個溫度傳感器測得的溫差計算相對濕度。

采集器的擴展接口包括一個RS-232接口和一個USB2.0接口。如果被檢驗設備的通訊協議及數據格式是開放的，擴展接口可用于連接被檢驗設備，讀取被檢驗設備狀態參數、溫濕度指示值等。

3.件功能設計

軟件由兩部分組成：第一部分固化在采集器，按照采集流程采集溫濕度，并把采集到的溫濕度數據發送給外接計算機；第二部分是運行在外接計算機Windows操作環境下的應用軟件。應用軟件主要由檢驗測量、數據管理、用戶管理、查詢統計、報表打印、數據分析圖表等功能模塊組成，如圖4所示。

下面主要介紹檢驗測量功能模塊。圖5是檢驗測量過程，步驟如下：（1）輸入基本信息。采取省缺加用戶自定義方式輸入基本信息，省缺的基本信息有檢驗日期、被檢驗設備名稱及規格型號、被檢驗設備制造廠及出廠編號、檢驗員等。用戶自定義方式比較靈活，允許用戶增加一些認為有用的基本信息，刪除一些無用的基本信息。（2）選擇標準、規范。常用的有三個：GB/T 5170.2-2008， GB/T 5170.5-2008及 JJF 1101-2003，用戶可根據需要選擇。有些特殊情況下，用戶可能需要采用軍標或外國標準，因此，允許用戶自定義標準、規范。在用戶自定義方式下，軟件系統無法自動提供省缺的測量點數量、采集流程，也不能自動計算檢驗項目的結果。此時，用戶必須自定義測量點數量、采集流程，提供計算檢驗項目結果的算法。（3）選擇被檢驗設備容積。有兩個常規選擇：大于2m3或小于2m3，另有兩個特殊選擇：大于50m3或小于0.05m3。（4）選擇被檢驗設備類別。根據步驟2所選的標準、規范，軟件系統自動提供省缺的類別。例如，步驟2選擇GB/T 5170.5-2008，則省缺的類別有：恒定濕熱試驗設備、交變濕熱試驗設備、長霉試驗設備。（5）定制測量點數量。容積大于2m3，15個溫度點，4個濕度點；容積小于2m3，9個溫度點，3個濕度點。當容積大于50m3或小于0.05m3時，用戶可自行增加或減少測量點。（6）定義測量點。測量點符號與選用的標準、規范有關。例如，在GB/T 5170.5-2008中，溫度測量點用O, A, B, C, D, E, F, G, H, J,K,L,M,N,U表示，相對濕度測量點用Oh,Dh,Hh,Lh表示，如圖6所示。用戶可選擇這些測量點分別對應采集器的某一個通道。（7）讀取被檢驗設備指示的溫濕度值有三種方式。第一種方式，如果被檢驗設備帶有智能控溫控濕裝置，并且用戶能掌握智能控溫控濕裝置的通訊協議及數據格式，可通過采集器的擴展接口讀取被檢驗設備指示的溫濕度值；第二種方式，目前，大多數被檢驗設備帶有智能控溫控濕裝置，并配有運行于外接計算機的實時監控軟件系統，但用戶可能無法掌握智能控溫控濕裝置的通訊協議及數據格式，無法通過擴展接口讀取被檢驗設備數據。此時，可通過讀取實時監控軟件系統數據庫的方式來間接地獲取被檢驗設備指示的溫濕度值；第三種方式，當前面兩種方式都無法實施時，可以人工輸入被檢驗設備指示的溫濕度值。（8）確認采集流程。根據用戶前面幾個步驟的選擇，軟件系統自動提供符合相關標準、規范的采集流程，由用戶確認。采集流程以圖表方式表示，它確定了檢驗測量開始后，經過多長時間，到達什么狀態或滿足什么條件時采集哪一個測量點數據。（9）當采集流程確認后，系統將按采集流程開始采集數據，直到完成數據采集任務。（10）按照選定的標準、規范規定的算法自動計算出檢驗項目的結果，打印檢驗記錄報表，描繪溫濕度特性曲線。

4.束語

我們研制的環境試驗設備檢驗系統，不但能提高檢驗工作效率，而且，由于所有的數據采集都是按預先確定的采集流程進行的，比傳統的人工讀取數據更加客觀準確。另外，檢驗系統具有數據管理、用戶管理功能，能幫助用戶建立一套嚴格的管理制度，規定檢驗員、系統管理員的操作權限，使得檢驗員無法隨意修改檢驗數據，確保檢驗數據真實可靠。

[1] JJF 1101-2003 環境試驗設備溫度、濕度校準規范，國家質量監督檢驗檢疫總局，2003年發布。

[2] GB/T 5170.1-2008 電工電子產品環境試驗設備檢驗方法-總則，國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會，2008年發布。

[3] GB/T 5170.2-2008 電工電子產品環境試驗設備檢驗方法-溫度試驗設備，國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會，2008年發布。

[4] GB/T 5170.5-2008 電工電子產品環境試驗設備檢驗方法-濕熱試驗設備，國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會，2008年發布。

Inspection Automation for Environmental Testing Equipment

Automatic inspection for environmental testing equipments is discussed here. According to inspection steps and methods provided in national standards and measuring specifications,we have developed an automatic inspection system for environmental testing equipments. The automatic inspection system allows users to choose one of national standards or measuring specifications to carry out inspection. It can automatically collect and save temperature and humidity of measurement points and calculate out automatically the result of inspection projects according to the algorithm provided in the chosen standards or specifications. The work efficiency of inspection would be highly improved.

environmental testing equipments；inspection automation；temperature measurement；humidity measurement

尚志紅（1970-）工程師，從事電子產品可靠性與環境測試研究工作；

常少麗(1979-）工程師，從事可靠性與環境試驗以及標準制定工作；

鄭善鋒（1963-）高工，從事自動控制、計算機硬件接口、網絡及軟件開發。