溫濕度自動檢定系統的應用與改進研究

尚 倫 高 云 陳一鳴

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院 湖北 武漢：430080）

溫濕度是實驗室環境的重要參數，對實驗數據具有一定的影響，故溫濕度計廣泛應用于各個實驗室中。依據JJG 205－2005《機械式溫濕度計檢定規程》規定，溫濕度計需要定期檢定。檢定所需設備為標準通風干濕表和溫濕度檢定箱，檢定時正反行程及重復性檢定的檢定點多達36個，每達到溫濕度檢定點后需要穩定30min才開始讀數，過5min再讀數一次，完成整個檢定工作耗時較長，且每個檢定點都需要人工設定、讀數和記錄，影響了工作效率和檢定精度，因此，有必要對當前系統進行改進。改進過程充分利用了設備已有的功能和接口，增加了低成本的USB攝像頭，通過計算機編程控制檢定過程，使其具有實時的溫濕度數據采集和控制功能，提高了溫濕度檢定系統的自動化程度，節省了大量的人力、提高了工作效率和檢定精度。

1 溫濕度檢定系統結構及應用

1.1 溫濕度檢定系統的結構

溫濕度檢定系統主要由XLS－Ⅱ型溫濕度檢定箱和MT－humi700型標準通風干濕表構成。溫濕度檢定箱是一種能提供穩定溫濕度環境的溫濕度檢定設備，溫濕度可隨意調節，用來檢定各類溫濕度儀表。溫濕度檢定箱控制系統是以宇電公司的AI808P人工智能控制器為控制核心，以Pt100溫度傳感器和瑞士rotronic公司生產的MP408A－T4－W4W濕度傳感器作為輸入信號，以調溫和調濕裝置（電加熱器、除濕分子篩和加濕器等）為控制對象的專用溫濕度儀表檢定設備。標準通風干濕表是經過計量部門標定的計量標準，作為標準器具，它采用Pt100鉑電阻做測溫傳感器，采用通風干濕球法測量相對濕度，測量精度高，抗干擾能力強。

1.2 溫濕度檢定系統的應用

開展檢定工作時，將標準通風干濕表的傳感器置于溫濕度檢定箱工作室的中心位置，被檢溫濕度計置于檢定箱工作室的有效空間內。檢定時，通過分別設定檢定箱上的AI808P溫控和濕控儀表達到檢定點。溫度檢定點為：15℃，20℃，30℃，濕度檢定點為：箱內溫度為20℃時，40%RH，60%RH，80%RH。達到檢定點設定值后，穩定30min后開始讀標準干濕表和被檢儀表示值，間隔5min后再讀數一次，取兩次讀數的平均值作為標準器和被檢儀器的示值。然后再計算示值誤差。之后再在同一檢定點上正、反行程讀數，得出溫濕度的重復性和回差等參數。

由上可以看出，溫濕度檢定工作時，檢定點較多且達到檢定點后穩定時間長；每個檢定點讀數后，需要人工再次設定檢定箱的溫濕度值，整個檢定過程耗時較長，且需要工作人員長期監視、讀數，耗費大量的人力和時間；讀數時透過檢定箱玻璃窗讀數，讀數精度不高，影響了工作效率和檢定精度。

2 溫濕度檢定系統的自動化改造

2.1 溫濕度自動檢定系統的結構原理

溫濕度檢定自動化改造，以計算機為上位機，以AI儀表、MT－humi700型標準通風干濕表和USB攝像頭為下位機，基于vb6.0編程，運用串口通信和USB攝像頭圖像采集技術，通過串口通信控制記錄AI儀表和標準通風干濕表數據，通過USB攝像頭記錄被檢定儀表的示值。檢定過程中實時顯示溫濕度變化曲線、被檢儀表溫濕度數據顯示圖片，并以檢定點標準溫濕度數據作為被檢儀表圖片文件名保存圖片文件，檢定結束后，讀取檢定數據和被檢儀表在各個檢定點的示值圖片，獲取檢定結論，完成檢定工作。自動檢定系統的原理結構如圖1所示。

圖1 系統原理結構圖

2.2 溫濕度檢定系統自動化改造具體措施

2.2.1 溫濕度檢定箱的控制

溫濕度檢定箱用以提供穩定的溫濕度檢定環境，溫度和濕度兩個參數由兩個宇電公司的AI808P人工智能控制器控制，改造前各個檢定點需要人工設定控制器，設定后需要監視環境溫度和濕度是否達到設定值，達到設定值后開始穩定時間計時和記錄數據。本改進利用PC機作為上位機，AI儀表作為下位機，利用儀表的RS485接口，通過vb編程實現對溫濕度值的設定和實時監控，達到設定的溫濕度后自動開始穩定時間的計時，穩定時間結束后保存檢定圖片并依次設定下一個檢定點，按照檢定規程的要求完成檢定工作。

AI－808型控制器具有光電隔離的RS485通訊接口。RS485是工業現場中應用較多的一種通信方式。通訊距離長達lkm以上（部分實際應用已達3km 4km），只需兩根線就能使多臺AI儀表與計算機進行通訊，優于RS232通訊接口。由于PC機一般只提供RS232接口，當使用PC機作為溫度控制器的控制上位機時，須使用RS232／RS485通訊接口轉換器，將計算機上的RS232通訊口轉為RS485通訊口。儀表允許在一個RS485通訊接口上連接80臺儀表（本系統使用2臺），其連接的結構如圖2所示。

圖2 AI儀表連接圖

AI－808P型控制器采用宇電公司開發的AIBUS通訊協議，指令簡單，控制器使用異步串行通訊接口。數據格式為：1個起始位，8位數據，無校驗位，1個或2個停止位。通訊前，需設置儀表的“Addr”和“bAud”參數，以完成儀表RS485通訊的地址和波特率設置。通訊傳輸數據的波特率設置為9600bit／S，地址參數用以識別同一條總線上的不同溫度控制器，儀表的通訊波特率須與上位機保持一致。

PC機與控制器之間的通信采用主從問答方式。PC機為上位主站，控制器為下位從站。PC機通過發送（讀／寫）命令啟動通信。處于總線上的2個控制器同時接收到命令。控制器檢查命令中的站地址是否與自己相符。如不一致，說明上位機是與其他溫度控制器通信，則忽略該命令；如一致，則響應該命令，并將執行結果回送給PC機，一次通信過程結束。

AI－808P控制器采用16進制數據格式來表示各種指令代碼及數據，通信幀為定長格式。通信指令經過優化設計后，只有兩條，一條為讀指令，一條為寫指令。

讀／寫指令格式分別如下：

讀：地址代號＋讀寫標志（52H）＋要讀參數的代號＋0＋0＋CRC校驗碼

寫：地址代號＋讀寫標志（43H）＋要寫參數的代號＋寫入數低字節＋寫入數高字節＋CRC校驗碼

地址代號為兩個相同的字節，數值為（儀表地址＋80H）；參數代號為一個字節，表示要讀／寫的參數名；CRC校驗碼為參數代號×256＋讀寫標志＋參數值（讀指令為0）＋儀表地址。

控制器對讀寫指令，返回以下數據：

測量值PV＋給定值SV＋輸出值MV及報警狀態＋所讀／寫參數值＋CRC校驗碼

其中PV、SV及參數值為16位有符號補碼整數，各占2個字節，低字節在前，高字節在后。整數無法表示小數，要求在上位機處理。MV為8位有符號數，占一個字節，狀態位占一個字節，校驗碼占2個字節，共10個字節。返回校驗碼：PV＋SV＋（報警狀態＊256＋MV）＋參數值＋ADDR按整數加法相加后得到的余數。

溫度控制儀表的“Addr”為1，下面以將溫濕度箱溫度設定為30℃為例，給出了AI儀表的部分串口通信程序：

2.2.2 標準通風干濕表的串口通信

微測儀器（福州）有限公司的MT－humi700型標準通風干濕表，采用pt100作為測溫傳感器，采用通風干濕球法測量相對濕度，避免了風速對濕度測量的影響。測量精度高，抗干擾能力強，20℃時，濕度準確度1.0%RH。使用計算機的RS232接口與標準干濕表通訊，用三線制接法與儀表通訊，即計算機RS232接口的2腳、3腳、5腳分別與標準通風干濕表的3腳、2腳、5腳連接，將通訊傳輸數據波特率設置為9600bit／S，該儀器開機即實時上傳數據，上傳數據為14位的ASCⅡ碼，其中前8位數據為濕度值，后4位數據為溫度值，最后1位是換行符，上傳的數據按照以下格式發送：

串口通信實現部分程序：

2.2.3 USB攝像頭的通信和被檢儀表圖片獲取

USB攝像頭由于價格低、功耗小、與計算機連接方便等特點，已得到了廣泛使用。本系統USB攝像頭傳輸距離為1.5m，小于USB2.0規范規定的最大有效傳輸距離不超過5m的要求，隨著攝像頭技術的不斷進步，其分辨率和成像質量已經非常理想，各項性能滿足本系統的需求。本次改造中的自動監控系統就是基于普通的USB攝像頭，利用 Windows內部提供的Avicap32動態鏈接庫，完成被檢儀表視頻信號的實時采集，根據檢定步驟要求，以溫濕度數據為文件名保存被檢儀表圖片。

工作步驟：攝像頭的初始化，圖像的獲取，達到設定的溫濕度后，穩定30min后以溫濕度數據做為文件名保存圖片一次，再過5min再次保存圖片一次。部分程序代碼如下：

2.3 溫濕度自動檢定系統的應用

2.3.1 自動檢定系統的運行

溫濕度自動檢定系統具有數據實時采集，曲線動態顯示功能，可以直觀的反應溫濕度參數的變化趨勢，攝像頭采集圖片同時顯示在程序的控制面板上，整個程序界面簡潔、實用，能夠滿足實際工作的需要。系統界面如圖3所示。

圖3 系統界面

2.3.2 系統的工作流程

溫濕度自動檢定系統的工作流程嚴格按照JJG 205－2005《機械式溫濕度計檢定規程》規定，依次達到溫度設定點15℃，20℃，30℃和濕度檢定點：箱內溫度為20℃時，40%RH，60%RH，80%RH。為了提高工作效率，溫度達到20℃后，先把三個濕度檢定點檢定完成后，再檢定溫度的30℃檢定點，檢定流程得到了優化。達到每個檢定點后，穩定30min后開始讀標準干濕表示值，間隔5min后再讀數一次，并以標準溫濕度值保存被檢儀表的圖片，取兩次讀數的平均值作為標準器和被檢儀器的示值，然后再開始下一檢定點。檢定流程如圖4所示。

圖4 檢定流程圖

3 結語

本系統由計算機做為上位機，AI儀表、MT－humi700標準通風干濕表和USB攝像頭為下位機，按照檢定規程的要求依次對每個檢定點數據進行檢定，檢定過程中實時顯示溫濕度變化曲線，被檢儀表的示值圖片，以溫濕度檢定數據作為文件名保存被檢儀表圖片，實現了對檢定流程的實時監控和數據保存。改變了以往檢定時由工作人員承擔的監控、記錄檢定數據等工作，減小了工作強度，提高了工作效率，原來讀數時需要透過檢定箱的玻璃窗口讀取被檢儀表數據，受到玻璃窗口水霧、光線、人員工作經驗等因素的影響，讀數準確性受到一定的影響，改造后，攝像頭與被檢儀表同時放入檢定箱中，相對位置固定、環境參數一致、讀數由計算機完成，減少了讀數過程的誤差，提高了檢定精度。

進一步改進措施，本系統涉及指針式儀表自動讀數技術，它將計算機視覺技術引入儀表檢定過程，消除了人工觀測方法所造成的主觀誤差，提高了檢定精度和效率，但是不可避免的存在攝像頭視差對讀數的影響，通過查閱文獻，有的用建立在雙目測量系統下的儀表成像攝像機標定技術減少讀數影響、有的通過儀表圖像處理系統進行檢定視差的校正、有的使用步進電機以及機械機構實時調整攝像頭位置減少成像誤差。由于實際工作中，溫濕度儀表類型繁多、不同廠家生產的儀表外觀尺寸相差較大，所以進一步的改進措施計劃采用由計算機控制的步進電機以及相應的機械機構，通過調整攝像頭位置減少誤差，具體效果有待進一步的驗證。

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