基于VB.net的砝碼質量空氣浮力修正系統設計

李群，李楠，張澤光

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

0 引言

目前，我國大多數計量技術機構的質量計量已配備電子天平或質量比較儀，大多數砝碼質量校準過程沒有采用空氣浮力修正，或分別測量溫度、濕度、大氣壓力由人工計算，且這個過程多為人工讀取與記錄數據。隨著計量準確度要求的提高，空氣浮力逐漸成為工作中必需考慮的因素之一。依據JJG 99-2006《砝碼檢定規程》，海拔330 m以上使用E1等級、E2等級砝碼，海拔800 m以上使用F1等級砝碼都應進行空氣浮力修正。由于我國地形復雜，有不少擔負國防計量保障任務的計量機構處于高海拔地區，因此有必要滿足實際需求，構建空氣浮力修正砝碼質量校準系統，使計量檢定機構更加規范、高效地開展質量計量檢定工作。

根據JJG 99-2006《砝碼檢定規程》中空氣密度的近似公式，需要測量環境溫度、相對濕度、大氣壓力三個空氣參數來確定空氣密度。在日常的砝碼檢定傳遞過程中，對于需要進行空氣浮力修正的校準過程，空氣參數的采集大多采用非實時測量的方式，與砝碼質量的測量過程并不同步，直接影響了計量的準確度;并且大多數是分別采用溫濕度計 (或其傳感器)、大氣壓力計 (或其傳感器)來實現，存在大氣數據采集過程難以協同、數據存儲實時記錄不方便、空氣參數趨勢變化難以直觀顯示、以往的趨勢變化難以靈活回溯查看、其他設備或程序不方便調用等問題。隨著技術的進步，新型空氣傳感器不斷地面世，集成了環境溫度、相對濕度、大氣壓力等參數采集功能，與電腦PC上位機連接后，可將采集的數據進行存儲。此外，由于新型傳感器自身體積小，也便于集成應用到各項數據采集系統中。

本文從當前砝碼質量校準現狀出發，采用無線網絡技術搭建砝碼質量校準平臺，并通過新型空氣傳感器采集大氣參數，將換算得到的空氣密度應用到質量校準平臺上，來對測試的質量進行實時的空氣浮力修正，以提高質量校準在不同大氣環境條件下的準確度。

1 方案設計

1.1 校準系統的結構

校準系統結構由上位機 (電腦PC)、電子天平的無線數據采集部分和空氣參數采集三部分組成，如圖1所示。

圖1 校準系統結構

1)上位機 (電腦PC)與電子天平的無線數據采集模塊、空氣傳感器的數據采集模塊相連接，實時接收電子天平和空氣傳感器發送的數據，并對采集的數據集中處理顯示、存儲，從供查詢。

2)電子天平的無線數據采集部分采用ZigBee技術實現，ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線網絡技術，具有低功耗、低成本、低速率、時延短、網絡容量大、可靠、安全等特點。利用該技術，可以將近距離分布放置的多臺電子天平共同構建到同一個網絡中，由其中的網關部分負責接收傳感器節點的數據，傳輸到電腦PC上位機處理。該部分由主站、中繼路由、終端、用戶終端共同構成:①主站:與上位機連接，負責收集無線終端發送的數據，并發送給上位機。同時，接收來自上位機的數據，根據協議發送給終端;②中繼路由:組網傳輸，在主站與終端距離較遠的情況下，發揮中繼功能;③終端:與用戶終端連接，將來自用戶終端數據進行發送，同時將接收的數據傳輸給用戶終端;④用戶終端:即電子天平，與終端連接。

3)空氣參數采集部分與上位機相連接，負責向上位機實時發送空氣參數數據。由模塊、傳感器共同構成:①模塊:與傳感器連接，負責收集傳感器發送的數據，經模塊轉化后發送給上位機;②傳感器:采集空氣參數數據。

1.2 基本原理

整個校準過程采用雙次替代法ABBA及單次替代法ABA的校準方法。校準開始，通過上位機 (電腦PC)打開空氣傳感器，實時采集空氣參數，系統記錄校準過程開始時間;用戶根據實際使用情況，選擇當前工作的電子天平，電子天平將砝碼質量數據通過無線采集模塊傳輸到上位機，待數據穩定后，用戶便可確認采集，依次完成一組砝碼的ABBA或ABA質量數據采集，系統記錄結束時間，根據該時間段的空氣參數擬合出空氣密度，并進行空氣浮力修正，得到校準結果。按照上述步驟，完成整套砝碼質量校準，即可打印輸出原始記錄。在需要計算不確定度的情況下，根據用戶需要，系統可整合上級砝碼、電子天平、空氣浮力等因素引入的不確定度分量，得出校準結果的不確定度。

2 系統設計

2.1 開發環境

硬件部分，整個空氣浮力修正系統所用到的設備為:電腦PC上位機1臺;電子天平n臺 (可根據具體的使用情況進行擴充)，無線數據傳輸模塊n+1套，分別與電腦PC上位機和電子天平相連;空氣傳感器1支;數據采集模塊1個。傳感器技術參數見表1所示。

表1 傳感器主要特性與技術指標

軟件部分使用VB.net 2008進行軟件編程，并使用Microsoft SQL server 2008建立和管理數據庫。

2.2 功能設置

2.2.1 數據實時顯示

使用PComm串口技術對電子天平發送過來的砝碼質量數據實時處理，根據 JJG99-2006《砝碼檢定規程》，采用雙次替代法ABBA及單次替代法ABA的自動校準方法，整合空氣密度自動存儲砝碼折算質量并生成檢定原始記錄。

空氣浮力修正質量校準界面如圖2所示，集成串口參數設置、串口開關、手動及自動檢定、電子天平選擇、砝碼折算質量檢定記錄顯示與存儲、檢定記錄導出和檢定結果顯示等功能。

圖2 砝碼質量校準界面

空氣參數數據采用ZedGraph圖形化技術，對數據進行處理，并以圖形化友好界面顯示空氣參數趨勢變化。數據采集時間周期間隔為6 s，采集曲線顯示界面見圖3所示，采集數據點在橫坐標軸上布滿時，曲線將自動向負坐標軸方向實時移動，可動態顯示最新采集的數據。同時，采集曲線界面還具有曲線打印、保存為圖片等功能。

圖3 空氣參數采集界面

2.2.2 數據查詢

用戶通過砝碼質量校準數據庫可實現對檢定數據的存儲、查詢、刪除、修改、導出和打印等操作。同時本系統建立了砝碼體積數據庫，用戶只需在初次使用某一砝碼體積時人工錄入該砝碼體積，后續檢定工作中便可在砝碼體積數據庫中查詢調用。

空氣參數存儲界面可按時間點、時間跨度查詢實測數據，并通過曲線查看各大氣參數變化趨勢，同時具有打印、導出excel功能，見圖4所示。

2.2.3 數據庫結構

鑒于SQL Server 2008數據庫可以快速的實現數據存儲應用，具有使用簡單、易用、效率高等特點，所以使用該軟件建立和管理數據庫。也可通過數據庫設置，實現遠程數據查詢功能。后續可根據實際計量工作需求，對數據庫進行設計擴充，來不斷滿足實際使用要求。

圖4 空氣參數歷史數據

3 結束語

該校準系統可實現質量 (以砝碼為例)計量中空氣密度實時采集，用于實驗室對砝碼質量進行實時空氣浮力修正，使得實驗室質量測量的數據更加精確可靠;同時，可實現質量計量數據的自動化存儲，便于查詢，提高質量計量工作效率。

該校準系統中的空氣參數采集部分，可廣泛應用于各校準實驗室對環境參數的自動檢測，替代傳統的人工記錄過程，也可應用于其他需要進行空氣密度監測的專業機構 (如風力發電站等)。

[1]Bill Evjen，Bill Hollis.VB.NET高級編程 [M].3版.北京:清華大學出版社，2005.

[2]Robert Vieira.SQL Server 2008高級程序設計 [M].北京:清華大學出版社，2010.

[3]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用 [M].北京:北京航空航天大學出版社，2007.

[4]國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG99－2006砝碼檢定規程[S].北京:中國計量出版社，2007.