淺析溫度二次儀表自動化校準系統

武光強

（澤州縣綜合檢驗檢測中心， 山西 晉城 048000）

引言

溫度二次儀表是一種工業溫度計量檢測工具，在檢測過程中能實現參數變化可視化，因此在多個行業中都有較為深入的應用。溫度二次儀表的質量對于測溫、控制等影響極大，如果測量數據不準確，產生較大的誤差，會造成大量的不合格產品。因此，優化溫度二次儀表自動化校準系統，并結合現代信息技術，全面提升計量效率，是當前計量校準行業亟待解決的問題之一。

1 我國溫度二次儀表計量校準發展現狀

從20世紀90年代開始，我國對于溫度二次儀表就已經開始進行比較深入的研究，并取得了較大的成效[1]。但是仍一些問題需要解決，主要體現在以下幾個方面：1）校準化程度較低。隨著科學技術的發展與進步，自動化校準程度已經得到了大幅提升，但是仍無法完全脫離人工操作。目前，大部分的校準操作仍以手工操作為主。手動校準異常繁瑣，操作環節較多。首先需要電阻箱與電位差產生的信號標準源，接著模擬傳感器電信號，開始手動調整，采用排查的形式對電量值進行識別，詳細記錄數據，校準的時間成本大大增加；2）由于大部分工作均是人工操作，在校準的過程中會有很多的影響因素，比如監管者干擾、精度達不到要求等，導致較大的校準誤差。

當前，二次儀表的應用越來越廣泛，特別是在工業生產中的應用頻率較高，溫度校準的精確性也大大提升。為了讓數字溫度計充分融合現代信息技術，國內外研究者對此進行了深度的探討，初步實現了半自動化校準系統的構建，當然離全自動化校準還有一定的差距。總之，雖然目前測量校準以手動為主，但是已與現代信息技術有一定程度的融合，可以利用計算機對所收集到的數據進行整理、分析，提升了校準的自動化程度。由于現有的自動化校準系統對原始數據的處理容量有限，容量較大時，則很難進行有效分析，校準系統的性能還需不斷提升。

2 溫度二次儀表自動化校準系統探究

2.1 設計方案

設計方案是進行系統設計的指導方針，只有嚴格按照方案執行，才能保證系統設計的效果，因此在方案設計之前，需要從以下幾個方面進行考慮[2-3]：

1）整體性，要考慮系統的總體設計。要對相關問題進行總體規劃和考慮后，才能確定開發設計、整體實施的方案。在實施過程中，整個綜合系統必須根據不同的功能劃分為幾個相對獨立的子系統，按功能模塊分別設計，又相互關聯，最終形成一個完整統一的系統。

2）可靠性，即系統各模塊在設計負載下完成規定功能的能力。主要體現在系統的軟硬件上，如攝像機通信是否在正常工作條件下調節，保證數據處理的準確性等。對軟硬件進行全面檢查，并在設計過程中盡量避免無關因素的干擾，降低返工率，有效提升工作效率和設計質量。

3）可操作性。系統設計應確保操作簡單方便，實現人機友好互動，方便操作人員高效使用。可操作性是系統設計最為關鍵的環節之一，只有具有極強的可操作性，操作人員在實際計量的過程中，才能充分的發揮出信息技術的價值和優勢，輔助自身來提升計量效率。

4）可擴展性。當系統功能需要改進或擴展時，可更換或添加設備，以進一步改進設備功能。

5）經濟性。在保證系統性能的前提下，盡量選擇價格相對較低的攝像機，以降低成本投資。

2.2 硬件設計

本文所進行的溫度二次儀表自動化校準系統硬件部分設計主要涉及了兩個部分，即攝像頭組件和標準器。

2.2.1 攝像頭組件

攝像頭組件是實現溫度計量過程可視化的重要部分，攝像頭主要分為工業攝像頭和普通攝像頭兩大類。雖然工業攝像頭具有適應復雜環境、高穩定性等特征，但其價格昂貴、成本較高，且對光源有嚴格的要求，因此不適合本文研究的實際情況。本研究只需要對LED 顯示部分進行拍攝，普通攝像頭的功能完全可以滿足，只要選擇一款具有自動對焦功能的普通攝像頭即可。結合本文的實際研究情況，特選用了羅技C920 攝像頭，雖然價格低廉，但是功能較強，具有5 000 萬像素，并且有自動對焦功能，可用USB2.0 進行數據輸入。此外，這款攝像頭對于光源的要求不高，由于LED 顯示屏具有自發光功能，因此可以十分清晰地拍攝到LED 顯示屏上的數值。

2.2.2 標準器

標準器在本系統設計中也起著重要的作用，主要功能為穩定地提供標準電量值，并輸入到二次儀表內。當然為了實現持續穩定地提供電量值輸入，需要結合本研究的實際情況來進行有效選擇。本研究所使用的標準源主要是WAVTEK 公司生產的4808型多功能標準源，其質量大概為20 kg，通訊端口為GPIB，準確度為0.08 ℃，由于其功能穩定且符合本研究實際情況，因此將其與FLUKE 公司生產的525 A 型熱工校驗儀配合一起使用。在選定標準器之外，還需進行補償導線的選擇，補償導線主要作用就是避免大量誤差的產生，這種誤差主要是由于計量裝置與熱電偶連接處的溫度變化所引起。本文所使用的補償導線主要是精密級補償導線，類型有K 型、T型、E 型三種。

在選定標準器與補償導線之后，開始對標準器進行測試。測試遵循三個步驟：

1）確定二次儀表的類型。本文選用熱電偶類型的二次儀表，檢定、校準需要使用WAVTEK 4808 多功能標準源，熱電阻類型二次儀表需要使用FLUKE 525 A 熱工校驗儀。

2）將設備與二次儀表進行連線處理。在此環節需要用到冰瓶，將補償導線的一端與二次儀表連接，然后另一端與冰瓶相連，再接上銅導線，從而實現零度補償。熱電阻類型二次儀表直接將二次儀表接線端子和525 A 熱工校驗儀直接用聚四氟己烯敷銀導線相連接。

3）計算機和標準器進行通訊，控制標準器輸出相應的標準值，執行輸出和待機等相關指令。

2.3 軟件設計

2.3.1 視覺軟件

視覺軟件的設計異常重要，這部分的功能需要通過攝像頭組件實現。視覺軟件設計結構如圖1 所示：構建一個控制機構系統，對圖像的輸入輸出進行控制，控制機構由計算機進行調控。由于本設計中沒有圖像采集卡，攝像機對待測目標的圖像抓捕直接由計算機輸出到控制機構，LED 顯示屏擁有自帶光源，因此無需其他光源進行照明。

視覺軟件對整個攝像頭組件進行控制，由于待測目標成像的影響因素較多，因此需要進一步進行中值濾波功能的設置，以增強攝像頭預處理的功能。這種濾波功能可以有效避免無關因素的干擾，增強圖像的清晰度。當然，也可以利用增強圖像邊緣區域的對比度，讓其邊緣更加清晰，同樣也能起到增強圖像清晰度的目的。

2.3.2 數據處理

在數據處理部分主要涉及到基本示值誤差計算以及合格結果判定兩個方面，針對誤差計算，有一個明確的計算公式：

式中：td為儀表顯示溫度值；ts為標準器輸入電量值對應的被測溫度值；e 為具有參考溫度自動補償的儀表。

將測量到的數據帶入公式（1）計算可得到精確的誤差值，從而實現自動檢測和校準。

針對合格結果判定，要分為三種情況，并用對應的誤差計算公式來確定是否合格，三個公式表述如下：

每個公式所適用的范圍不同，式（2）主要用于含有準確度等級的時候，其中FS為測量范圍上下限的差值，a 為準確度等級。式（3）主要用于與儀表量程及分辨率有關的時候，其中b 為分辨力。式（4）主要用于允許溫度誤差值的時候，其中N 表示允許的溫度誤差值。

根據不同使用條件來選定公式來計算誤差值，再判定合格與否。

2.3.3 數據庫

數據庫設計主要實現兩個功能，一是條目插入功能，二是條目搜索功能。條目插入功能所包含的文本類型主要有7 個，分別是證書編號、送檢單位、設備名稱及編號、校準日期、結論、檢定員、收費等。需要在LabVIEW 中建立一個7 個字符串型、一個DBI數字型的簇以及一個含有8 個字符串元素的數組，數組元素依次為8 個字段的名稱，然后將此數組與Columns 接線端進行有效連接。條目搜索功能，與上述插入功能進行對應，可以利用7 個文本類型來搜索，并進行內容定位，當然也可以聯合其他項目共同搜索。當操作員不做任何選定時，計算機會顯示數據庫中的所有證書信息，并對項目總數以及收費總數進行整理顯示。條目搜索功能采用的是SQL 語言的select 語句。

3 結語

溫度二次儀表自動化校準系統尚未成熟，相比國外先進的技術，存在著較大的差距。隨著科學技術的發展，很多元器件的性能得到了極大的改善，為自動化校準系統的發展提供了更加可靠的硬件配置。完善系統設計還需充分借鑒國外優秀經驗，進一步結合本土特色來進行有效的創新。