光電高溫計自動測試系統設計

高一凡，蔡靜，張嵐

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095）

0 引言

光電高溫計是輻射溫度量傳中的常用計量標準器具［1］。JJG 1032-2007《標準光電高溫計檢定規程》對標準光電高溫計的穩定性提出的要求是：在1年內，在1200℃分度值的變化的絕對值不大于1.0℃［2］。光電高溫計的長期穩定性參數體現了光電高溫計讀數隨時間變化的可靠程度，決定著其能否用于輻射溫度量值傳遞［3-5］。

固定點黑體輻射源是用來分度標準光電高溫計的標準裝置，其精度、復現性、穩定性均具有較高水平［6-7］。利用固定點黑體輻射源作為標準器，可以測量光電高溫計在溫坪處的波動度，多次測量即可分析被測光電高溫計的穩定性。

光電高溫計作為計量標準器具時，其短期穩定性、長期穩定性是必須考核的指標［8-9］；此外，在光電高溫計研制過程中，也需要采用固定點黑體輻射源對其進行測試，為光電高溫計的設計研發提供數據支撐［10-13］。目前光電高溫計的長期穩定性參數通常需要通過人工測試獲取，存在測試效率低、數據管理復雜等問題，為了簡化測試流程，便于數據管理和分析運用［14］，本文以C#為開發工具，設計了一套具有流程控制、數據采集與處理、波動度分析計算、歷史數據回看等功能的光電高溫計自動測試系統。對該系統的硬件結構組成、軟件運行流程、具體操作步驟進行詳細介紹，并開展測量不確定度評定驗證其準確性與可靠性，為簡化光電高溫計測試流程起到重要作用。

1 硬件搭建

光電高溫計自動測試系統由固定點黑體輻射源、氣源、光電高溫計、數據采集及處理裝置組成，系統框圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

圖1 光電高溫計自動測試系統框圖Fig.1 Block diagramof photoelectric pyrometer automatic test system

圖2 光電高溫計自動測試系統實物圖Fig.2 Photoelectric pyrometer automatic test system

本文使用Chino公司生產的IR-R0系列Ag固定點黑體輻射源，該輻射源具有提供Ag凝固點溫度（961.78℃）的能力。在坩堝溫度超過250℃時需持續通入氬氣，使用氬氣氣瓶作為氣源，保證進氣流量為0.2～0.5 L/min。

Ag固定點溫度理論值為961.78℃，熔解溫度設定值為983℃，凝固溫度設定值為952℃。一個溫度循環過程中，固定點黑體輻射源的設定溫度與實際溫度關系如圖3所示。

圖3 固定點黑體輻射源設定溫度與實際溫度關系Fig.3 Relationship between set temperature and actual temperature of fixed point blackbody radiation source

圖3中，T1為室溫，T2為凝固溫度設定值，T3為溫坪溫度，T4為熔化溫度設定值。t1時刻改變設定溫度為凝固溫度T2，t1至t2實際溫度從室溫升溫至凝固溫度；t2時刻改變設定溫度為熔化溫度T4，t2至t3實際溫度從凝固溫度升溫至熔化溫度，升溫過程中，輻射溫度會穩定一段時間，這段時間固定點的狀態被稱為熔化溫坪；t3時刻改變設定溫度為凝固溫度T2，t3至t6實際溫度從熔化溫度降溫至凝固溫度，降溫過程中，輻射溫度會穩定一段時間（t4至t5），這段時間固定點的狀態被稱為凝固溫坪。t6時刻一個溫度循環結束。開始一個新的溫度循環，無需降溫至室溫，只需升溫至熔化溫度T4即可。凝固溫坪與熔化溫坪相比，溫度穩定性更好，持續時間更長，因此，它是測試光電高溫計的最佳時間。

固定點黑體輻射源從室溫上升至凝固溫度后的第一個溫度循環的溫坪穩定性較差，一般使用第二個及以后的溫坪測試。

所測試的光電高溫計為本單位自主研發的UP系列標準光電高溫計，其測溫范圍為800～3000℃，光譜范圍為（660±10）nm，具有目視瞄準、溫度現場顯示、4～20 mA輸出、串口數據傳輸等功能。

數據采集及處理裝置通過串口分別與黑體輻射源和光電高溫計連接，實現黑體輻射源溫度值和光電高溫計溫度值的實時讀取。黑體輻射源和光電高溫計的指令集不同，需分別設計通訊流程。

2 軟件設計

光電高溫計自動測試軟件具備流程控制、數據采集與處理、波動度分析計算、歷史數據回看等功能［15］。在用戶選擇設備、輸入參數后，開始如圖4所示的測試流程。

圖4 光電高溫計自動測試系統流程圖Fig.4 Flowchart of photoelectric pyrometer automatic test system

根據測試流程圖及操作邏輯，將軟件分為流程控制模塊、通訊模塊、波動度計算模塊、數據處理與顯示模塊四部分。其中，流程控制模塊用于判斷當前黑體輻射源所處狀態，根據狀態決定下一步操作；通訊模塊分別與固定點黑體輻射源和被測光電高溫計通訊，實現固定點黑體輻射源溫度控制、溫度讀取和光電高溫計數據讀取；波動度計算模塊在凝固過程中啟動，自動計算凝固溫坪內光電高溫計輸出波動度；數據顯示與分析模塊用于實現軟件界面顯示、數據存取方式選擇等功能。

2.1 流程控制模塊

流程控制模塊是讀數線程的一部分。每次讀取固定點黑體輻射源和光電高溫計數據前，計算當前系統時間與當前狀態開始時間之差，判斷時間間隔與期望時間間隔的大小關系用于流程控制。

流程控制模塊根據用戶輸入的條件自動生成二維數組，數組名為flowControl，數組類型為float類型，數組大小為2×n，其中n為狀態個數。n的計算公式為

flowControl數組的典型值如表1所示。

表1 flowControl數組典型值Tab.1 Typical value of flowControl array

流程控制模塊流程圖如圖5所示。

圖5 光電高溫計自動測試系統流程控制模塊流程圖Fig.5 Flow chart of control module of photoelectric pyrometer automatic test system

2.2 通訊模塊

Ag固定點黑體輻射源采用串口與上位機通訊，遵循Modbus協議，采用問答模式，分別實現黑體輻射源的溫度設定和數據采集。被測光電高溫計也采用串口與上位機通訊，上電后以固定時間間隔向上位機發送數據，上位機接收到一個數據長度的數據后，判斷數據停止位，進行數據轉換。

以上通訊調試完成后封裝為.dll文件，留出函數接口bool setTemp（float temp），float getTempAg（），float getTempIR（）供主程序調用，增強了代碼的可讀性，便于Ag固定點黑體輻射源和光電高溫計的后續開發。

2.3 波動度計算模塊

波動度計算模塊只在溫度從熔化溫度降至凝固溫度階段啟用。該模塊設計長度為l的隊列，每次采集到光電高溫計讀數后將其送入隊列，數據量超過l后遵循先入先出模式刪除多余數據，同時計算隊列內最大值與最小值之差，即為波動度。波動度隊列實時更新，直至凝固階段結束。l的大小與光電高溫計數據傳輸速度、波動度計算時間、凝固溫坪時間有關，本文使用的光電高溫計每3 s傳輸一個數據，設計l=100即可計算5 min內的波動度。波動度計算模塊流程圖如圖6所示。當具有多個溫度循環時，每個循環可得到一個波動度計算結果。

圖6 光電高溫計自動測試系統波動度計算模塊流程圖Fig.6 Flow chart of fluctuation calculation module of photoelectric pyrometer automatic test system

2.4 數據顯示與分析

測試數據使用曲線圖顯示，光電高溫計自動測試系統軟件界面如圖7所示，紅色為固定點黑體輻射源的溫度曲線，縱坐標為右側坐標，單位為攝氏度（℃）；黃色為被測光電高溫計的輸出曲線，縱坐標為左側坐標，單位為毫伏（mV）。界面設計有菜單欄和狀態欄，菜單欄具有刷新串口、記錄（存儲和讀取）、開始測量、幫助等菜單，狀態欄顯示當前存儲/讀取的路徑、系統時間、采樣次數等。主界面上方分別為參數設置部分和結果顯示部分。

3 試驗驗證

3.1 試驗步驟

光電高溫計自動測試系統原理圖如圖8所示。光闌位于黑體腔前，用于限制黑體輻射源的視場。固定點黑體輻射源的金屬容器為腔式，將高純度金屬放置于金屬容器內，容器外壁纏繞的加熱絲對黑體腔進行加熱。高溫狀態下向容器中通入惰性氣體，保證高純度金屬不被氧化。利用鉑電阻測量腔底溫度，對黑體輻射源進行控溫。利用光電高溫計測量固定點黑體輻射源腔底溫度，得到光電高溫計對固定點溫坪的響應數據，從而計算光電高溫計的波動度。

使用Ag固定點黑體輻射源作為標準器對UP系列660 nm標準光電高溫計進行測試，具體步驟如下：

1）裝置搭建

將氬氣氣瓶連接至Ag固定點黑體輻射源的氬氣入口，之后調節位移臺，使被測光電高溫計對準Ag固定點黑體輻射源。

2）被測光電高溫計調焦

在光電高溫計前600 mm處放置一個邊緣清晰的目標，通過目鏡觀察，旋轉物鏡直至目標清晰可見。然后將光電高溫計瞄準固定點黑體輻射源出口，使光電高溫計與固定點腔底的距離為600 mm。

3）通電、通氣

將光電高溫計與固定點黑體輻射源分別通電，打開氣瓶，調節固定點黑體輻射源進氣流量為0.2～0.5 L/min。

4）參數設置

打開光電高溫計自動測試軟件，選擇光電高溫計和固定點黑體輻射源的端口號，設置循環次數、是否預熱、是否自動歸零等。

5）開始測量

選擇數據保存路徑后，點擊開始測量即可自動執行設定的流程。測試結果保存為.txt文件，曲線圖同時保存為.jpg文件。

上述步驟完成后即可開始自動測量，無需測試人員對設備進行更多操作，即可在設定時間之后得到測試數據。

3.2 測量不確定度評定

光電高溫計的溫度波動度測量模型為

式中：Δtf，tmax，tmin分別為光電高溫計的溫度波動度、溫度示值最大值、溫度示值最小值，℃；Δts為固定點黑體輻射源在一個溫坪內的溫度波動度，℃。

假設測量模型中各分量互不相關，可得波動度測量的不確定度傳播律為

式中：c1=1；c2=1；c3=1。

通過分析測量模型可知，測量結果的不確定度來源包括光電高溫計的測量分辨力引入的不確定度和固定點黑體的溫坪溫度波動度引入的不確定度。

u(tmax)為光電高溫計溫度示值最大值的不確定度，由于光電高溫計的分辨力為0.01℃，服從均勻分布，包含因子故

u(tmin)為光電高溫計溫度示值最小值的不確定度，由于光電高溫計的分辨力為0.01℃，服從均勻分布，包含因子故

u(Δts)為固定點黑體輻射源在一個溫坪內的溫度波動度，固定點黑體凝固點的復現性為±0.1℃，波動度遠小于復現性，取±0.01℃，服從均勻分布，包含因子故

計算合成標準不確定度為

擴展不確定度U為

3.3 實際應用

在環境適應性試驗期間，每一項環境試驗結束后，使用光電高溫計自動測試系統測量得到光電高溫計在Ag固定點波動度的變化數據，作為判斷光電高溫計能否正常工作的依據，從而判斷光電高溫計能否通過環境適應性實驗，是否需要進行進一步設計。光電高溫計環境適應性實驗前后波動度變化結果數據如表2所示。

表2 光電高溫計環境適應性實驗前后波動度變化結果Tab.2 Fluctuation results of photoelectric pyrometer before and after environmental adaptability experiment

通過表2可知，光電高溫計在運輸振動、隨機振動、沖擊、傾斜跌落、濕熱試驗后，溫度波動度不大于0.11℃，溫度示值的最大偏差不大于0.3℃，符合技術指標要求，通過了環境適應性摸底考核。

在光電高溫計優化設計期間，通過測試不同地線連接方式、不同屏蔽方式、不同上電順序對光電高溫計在Ag固定點溫度波動度的影響，即可分析出合理的地線布局、屏蔽方式、上電順序。光電高溫計優化設計前后波動度變化結果數據如表3所示。

表3 光電高溫計優化設計前后波動度變化結果Tab.3 Fluctuation results of photoelectric pyrometer before and after optimal design

分析表3數據可知，采用所有電路均接地的地線布局、增加外殼縫隙屏蔽、采用先正后負的上電順序，能夠使光電高溫計的波動度明顯減小，為光電高溫計的優化設計提供了重要依據。

4 結論

設計了一套光電高溫計波動度自動測試系統，該系統利用固定點黑體輻射源溫坪的高穩定性和高重復性，采用直接瞄準法測量光電高溫計的波動度，利用專業軟件實現自動測量，可有效滿足UP系列光電高溫計的波動度測量需求，波動度測量的擴展不確定度為0.015℃。

利用自動測試系統前，需要至少1 h的時間進行測試，數據處理及統計也需要花費不少時間。光電高溫計波動度自動測試系統實現了測試流程的自動化，操作人員只需5～10 min布置測試系統，之后軟件開始運行，經過設定時間后即可得到測試數據。綜上所述，該系統在提高工作效率、簡化測試流程等方面具有重要意義。