基于LabVIEW的露點校驗系統設計

王 森,蔣書波,王 洋

(南京工業大學浦口校區,南京 211816)

基于LabVIEW的露點校驗系統設計

王 森,蔣書波*,王 洋

(南京工業大學浦口校區,南京 211816)

為實現露點測量設備的高效校驗,在分流法原理基礎上設計了一套基于LabVIEW的露點校驗系統,本系統通過發生較為精準的露點并采集送檢設備的露點測量信息,實現送檢設備的準確性校驗。本系統基于LabVIEW軟件平臺設計實現露點校準系統的上位機功能,包括露點控制、協議設定、數據記錄等;由下位機實現流量控制、信號采集反饋以及數據傳輸等功能。該系統已應用于實際露點測量設備的校驗,結果表明可發生露點范圍-70 ℃～20 ℃,精度優于0.15 ℃。

自動化技術;校驗系統;分流法;露點發生器

在氣象學中,露點是指在固定氣壓下,空氣中所含的氣態水達到飽和而凝結成液態水所需要降至的溫度[1],是空氣濕度的一種表示方式。如今,濕度測量在工農業生產、環保、軍事裝備甚至生命安全等領域的重要性越來越明顯,而在大多數國家濕度標準實驗室中,濕度的復現都是以露點形式來進行的[2]。然而不管應用何種原理、何種設備測量露點,器件長時間使用會導致傳感器產生漂移,妨礙露點測量設備的正常工作。由此需要對露點測量設備校準,這也正是本校準系統的主要存在意義。

本系統通過控制露點發生裝置發生較為精準的露點氣體,并采集待檢設備露點測量信息,從而對待檢設備的準確度進行判定,并自動生成校驗報表,作為露點測量的準確度依據。

1 系統整體功能設計

本露點校準系統主要由露點發生器、下位機控制電路以及基于LabVIEW軟件平臺編制的上位機組成。露點發生裝置主要是由干濕氣體的流動管路和飽和器組成,作為露點發生的氣體載體;下位機作為控制執行和數據采集單元,控制露點發生裝置內部器件動作,采集溫度、壓力以及流量信息,并與上位機實時通訊實現數據的傳輸;上位機主要用于人機交互,為用戶提供操作界面,同時與下位機通訊傳達控制命令,并處理下位機采集的數據,最后自動生成校驗報表。

系統的整體流程圖如圖1所示,描述了本系統的主體功能以及邏輯順序。其中吹掃部分是在開始校驗前根據用戶自身的需要選擇。用于吹除長時間工作后氣路中殘留的混合氣體,保證新一輪露點發生的準確性。開始校驗后,上位機根據露點設定值計算干濕氣體流量后傳給下位機,下位機以此控制質量流量控制器改變管路開度,發生目標露點的混合氣體,同時采集管路中壓力、溫度及流量信息反饋給上位機。判斷超30 min是為了保證氣體充分混合并穩定輸出,分6段記錄數據也是為了排除或盡可能減少各種不確定因素對數據的影響,保證數據的準確性,最后生成校驗報告。

圖1 系統總流程

1.1 露點發生原理

露點發生器是指在一定條件下能發生固定露點,即水蒸氣含量恒定且可知的氣流或氣氛裝置的總稱[3],可為露點檢測裝置的校準提供標準依據。由于與雙溫法、雙壓法、庫侖法等露點發生原理相比,分流法能提供的氣流的露點范圍寬、穩定時間短、穩定性好且流量大[4],因此本露點發生器采用的基本原理為分流法原理,原理如圖2所示。

圖2 發生器裝置原理圖

為了克服傳統分流法濕度發生器難以發生低濕度氣體的缺點,本文采用二級分流法,將一股干氣按一定比例分做三股,一股經飽和器飽和成為飽和濕氣;另一股干氣與上述飽和濕氣均勻混合,生成具有穩定濕度的氣流,稱該股氣流為一級稀釋氣。一級稀釋氣與最后一股干氣按照一定比例準確混合,得到的氣流被稱為二級稀釋氣,也即具有目標露點的輸出氣體。由于露點發生過程受壓力、溫度等因素影響較大,故發生過程還需在關鍵部位放置壓力、溫度傳感器進行監測。

1.2 系統下位機設計

下位機硬件控制電路部分主要實現數據采集和發生器控制,其結構圖如圖3所示,數據采集包括質量流量控制器的實際發生流量、飽和罐溫度、一級氣管路中的壓力和標準露點儀以及被檢露點儀采集到的露點值。控制部分包括控制質量流量控制器流量控制、恒溫槽溫度控制和干燥器電磁閥控制。

圖3 下位機結構圖

基于分流法原理建立的濕度發生系統,干濕氣體的流量控制精度直接關系到露點發生的準確性,因此流量的準確控制至關重要。根據國家質量監督檢驗檢疫總局發布的關于露點校準標準設備的指標,作為標準氣體發生系統想要達到一級標準,需要將0.15 ℃作為露點控制精度[5]。因此本文選用16位的DA芯片AD5683R提升控制部分的控制電壓精度。

1.2.1 供電穩壓設計

在高精度的ADC或DAC電路中,供電質量對其性能影響很大。設計選用了輸出線性好、功耗小且輸出電壓誤差在±1%范圍內的高精度電源芯片TLV1117,輸出5 V電壓供電的同時,為穩壓電路提供參考電壓。穩壓電路如圖4所示,其中三極管Q3(TIP122)在電路中作為調整元件,當電路輸出電壓波動欲起時,能及時加以調節,使輸出電壓保持基本穩定。在電路中,電源芯片輸出到運放的同向端,電源芯片的輸入經R19、R22組成的取樣電路分壓后送到運放的反向端,經過運放放大后,驅動調整管Q3。經過穩壓電路,最終能夠實現4.999 V穩定電壓輸出。

穩壓輸出部分的過流保護電路由R21和Q4組成。設Im為保護動作電流,則當電源輸出電流I增加到Im時,R21上的壓降Im·R21使得Q4管導通,分掉了Q3上的基極電流,使輸出I不再增加,起到了過流保護作用。

1.2.2 數模轉換設計

對4路質量流量控制來說,通過0～5 V電壓控制對應量程范圍的流量輸出,也即控制電壓與實際發生流量之間存在線性關系。數模轉換部分的作用是將根據目標濕度測算的理論流量轉換為質量流量控制器的控制電壓,從而控制發生露點對應的干濕氣體流量。根據對流量控制精度要求分析,選用16位DA芯片AD5683R實現數模轉換,電路圖如圖5所示。

圖4 供電穩壓輸出電路

圖5 4路流量控制電路設計

數模轉換部分由上述穩壓供電電路供電,在穩定電源的作用下,AD5683R可以利用內部低漂移2.5 V基準電壓源提供轉換基準電壓,標稱值受溫度變化影響只有2 ×10-6/℃,而相對精度16位時最大為±2LSB,對應到5 V電壓輸出,控制精度能夠達到0.15 mV,能夠滿足濕度發生系統對流量的控制要求。

AD5683R寫入數據的周期很快,為了穩定最終輸出給質量流量控制器的控制電壓,使發生的氣體流量平穩,在AD5683R輸出端利用運放設計電壓跟隨電路,穩定輸出電壓。

1.3 上位機功能設計

校驗系統上位機基于LabVIEW軟件平臺編制實現。圖6所示為上位機人機交互界面,分為發生器控制與被檢儀器兩大部分,發生器部分包括了露點標準值、露點設定值、間隔時間等參數設定,以及溫度、干氣露點、相對濕度、4路流量等信息的顯示。被檢儀器部分包括送檢設備信息、露點量程以及露點測量值等參數的設定。開始校驗和啟動吹掃兩個控制按鈕分別用于控制校驗部分程序的啟動和干氣吹掃程序的啟動。

圖6 人機交互界面

人機交互界面作為系統主要的操作界面,系統要求的一切功能都可以在此界面操作完成,程序啟動后,將根據用戶設定的露點值發生10組或少于10組不同露點的氣體供送檢設備及標準級露點儀進行檢測。上位機同時記錄不同送檢設備對不同露點混合氣體的測量值,露點發生完成后,程序將自動生成校驗報表,并以對應的時間和送檢設備型號命名存儲于固定位置以便查看。

在技術人員進行上位機操作時,首先根據4組送檢設備的信息在被檢儀器部分輸入4路送檢設備的樣品號、型號規格、準確度等信息,這些信息在露點發生完成并且采集記錄結束后自動的寫入Excel表格,保存到特定的位置。并且每路檢測設備都帶有信號量程以及被檢儀器露點測量量程的設定,其中信號量程表示露點對應電流信號的量程,由此可以通過線性轉換,將從下位機讀取到的電流信號轉換為送檢設備實際測量的露點數據。而被檢儀器測量值是指送檢設備所測得的露點值。

其次,設置發生器部分參數,發生器部分設定值包括發生露點值、露點發生間隔時間、干氣露點值,其中干氣露點值一般是在開始校驗被檢露點儀之前將干氣通入高精度露點儀進行測量的出的。設定露點值是根據用戶自己的需要,輸入范圍在-70 ℃～20 ℃范圍內的露點值,上位機計算出此露點值所需的4路質量流量控制器控制的流量值,并且經過串口傳輸給下位機來控制質量流量控制器的開度,從而使混合氣體達到設定露點。另外發生器部分還會顯示露點標準值、環境溫度、飽和罐壓力等數據。其中露點標準值是由精度更高的露點檢測儀器測量發生氣體得出的標準露點值,它與上文所提的被檢儀器測量值所顯示的數據之間的差值大小就表示了對應的待檢設備的檢測精度。

最后,根據自己需要選擇是否按下吹掃按鈕控制吹掃程序啟動,其作用是利用干氣吹除殘留氣體使管路恢復正常工作狀態。然后按下開始按鈕,當現場操作人員將此按鍵按下,綠色指示燈亮起,上位機將會自動控制露點發生器發生設定的露點,完成校驗過程,并生成校驗報表。

2 系統分析與測試結果

2.1 不確定度分析

在本校驗系統中,不確定度來源主要為;飽和器的飽和度引入的不確定度u(e);標準設備精度的不確定度u(s);流量引入的不確定度u(q):

(1)因為飽和罐溫度與環境溫度的差異,以及流量的影響,經過飽和罐的飽和濕氣的飽和度會產生一定的波動。根據試驗結果分析,濕氣的飽和度造成的不確定度會在±0.017 5 ℃以內,由此:

(2)在本校驗系統中,露點的標準值由作為標準設備的高精度露點儀MBW373測量得出,并以電壓信號變送輸出。MBW373的檢測精度為±0.1 ℃,區間半寬為0.1 ℃,服從均勻分布,則:

(3)根據流量控制部分的設計,需要將0.15 ℃作為露點控制精度。流量控制的不穩定帶來的露點不確定小于0.15 ℃,由此:

根據不確定度傳播率,由上述不確定度合成總的標準不確定度為:

因為國家標準文件對于露點發生器精度要求的0.15 ℃,所以本露點校驗系統滿足國家校驗標準。

2.2 發生器測試結果

運行系統自動發生-70 ℃、-60 ℃、-50 ℃、-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃固定露點進行露點發生測試。利用精密露點儀MBW373作為露點發生標準,以DPT122露點儀作為被檢儀器。系統運行結束自動保存報表如圖7所示。

觀察表內結果可以發現,露點設定值與露點測量標準值之間最大誤差為0.06 ℃與總合成的標準不確定度做比較,本系統設計的露點發生器發生的露點偏差小于系統總不確定度。被校驗的DPT122對露點的測試誤差在2.2 ℃～6.6 ℃范圍內,超過規范文件規定的正常使用范圍,需要經過校準才能繼續使用。校準過程可以參考圖7所示的校驗報告修正值一欄,對實際露點測量結果進行修正。

圖7 被檢儀器樣品1校準報告

3 結論

本文在分流法原理基礎上設計了一套基于LabVIEW的露點校驗系統,本系統通過發生較為精準的露點并采集送檢設備的露點測量信息,實現送檢設備的準確性校驗。結果表明可發生露點范圍-70 ℃～20 ℃,精度優于0.15 ℃,滿足國家質量監督檢驗檢疫總局對標準氣的一級標準要求。同時本系統能夠實現校驗過程全自動執行,并最終自動生成校驗報表,大大減輕了校驗人員的工作量。

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TheCalibrationSystemofDewPointBasedonLabVIEW

WANGSen,JIANGShubo*,WANGYang

(Nanjing TechUniversityPukou Campus,Nanjing 211816,China)

To test dew-point measurement equipmentefficiently,on the basis of Divided Flow and combining the LabVIEW software,this paper works on designing a calibration system of Dew point. It occurs precise dew point and collects the measurement information of inspection device to check the accuracy of the inspection equipment. The system is based on LabVIEW,including dew point control,setting the protocol and recording data. The lower machine controls the flow rate,signal acquisition and data transfer. The system has been applied to check the actual dew point measuring device,the results show a dew point range -70 ℃～20 ℃,stability is better than ±0.05 ℃.

automatics;calibration system;divided-flow method;dew point generator

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.039

2016-08-04修改日期2016-09-20

TP29

A

1005-9490(2017)05-1257-05

王森(1991-),男,漢族,江蘇徐州人,南京工業大學,碩士在讀,檢測技術、嵌入式系統設計,136101812@qq.com;

蔣書波(1975-),女,漢族,江蘇南京,南京工業大學,副教授,工業過程檢測方法與系統設計、氣體拉曼光譜儀器、嵌入式系統設計,153381253@qq.com。