溫度數據自動采集儀的研制

余松林，王曉丹，王 喆，李強光

(天津市計量監督檢測科學研究院，天津 300192)

0 引言

溫度數據自動采集儀可自動采集被測溫度信號，是具有數據存儲、記錄和通信等功能的溫度測量儀表。溫度數據自動采集儀高度集成了溫度傳感器、測量電路、數據采集與存儲系統，體積小、測量精度高，廣泛應用于制藥工程、食品加工和醫療衛生等領域。

與測量傳感器和測量儀表分離的傳統測溫設備相比，溫度數據自動采集儀特別適用于密封設備，如冷鏈運輸車、巴氏滅菌器、清洗消毒設備和熱力滅菌設備溫度計等[1-5]。

目前，市場上廣泛使用的溫度數據自動采集儀多為國外產品。針對市場需求，本文研制了一種基于Pt1000溫度傳感器和LabView上位機系統的小型溫度數據自動采集儀。該設備外殼采用316 L不銹鋼材料封裝，具有防水、抗壓功能，可應用于高溫、高濕環境溫度參數的測量。該設備的具體參數為：測溫范圍達到-40～+140 ℃；測量分辨力為0.01 ℃；測量精度絕對值優于0.1 ℃；整機工作電流為8.4 mA；可連續工作240 h；最大數據存儲量為32 767組。試驗結果表明，該設備能夠長時間工作在高溫、高濕環境中，能夠精確測量密封設備中的溫度參數。

1 系統設計

本文所設計的溫度數據自動采集儀的測溫范圍為-40～+140 ℃，測量精度絕對值優于0.1 ℃。同時，受其工作環境影響，溫度數據采集儀還應具有一定的防水、抗壓性能。本研究采用較寬溫度測量范圍的測量芯片，滿足測量電路的要求；同時，采用316 L不銹鋼對電路進行外殼封裝，以滿足防水抗壓要求。

1.1 溫度數據自動采集儀硬件電路設計

溫度數據自動采集儀硬件電路采用模塊化設計方式，主要包括溫度采集模塊、主控模塊、存儲模塊和電池管理模塊四個部分。為便于封裝，測量印制電路板(printed cincuit board,PCB)設計為圓型，整體直徑為15 mm。

1.1.1 溫度采集模塊電路設計

溫度采集模塊采用TI公司的PGA900ARHHR作為溫度采集芯片。該芯片測量精度可達到24位，溫度工作范圍為-40～+150 ℃。溫度采集模塊電路設計如圖1所示。

圖1 溫度采集模塊電路設計圖

電路通過代碼調試器工作平臺對PGA900ARHHR芯片上的ARM Cortex M0處理器編程，以實現對恒流源、模擬數字轉換器(analog to digital conrerter,ADC)位數及放大倍數的配置。采集的溫度數據采用中值濾波算法進行處理，并通過串口發送至主控芯片[6]。

1.1.2 主控模塊電路設計

主控模塊電路以ST公司的STM8AF6223作為主控芯片。STM8AF6223的工作電壓范圍為3～5.5 V，在工作溫度范圍(-40～+150 ℃)內精度可達到8位。主控模塊電路設計如圖2所示。

圖2 主控模塊電路設計圖

主控模塊電路功能主要包括采集并存儲溫度數據、選擇工作時間模式、校準恒流源、傳輸數據及指令下達和采集及檢測電池電量。數據傳輸及指令下達通過串口與上位機系統進行，電池電量的采集及檢測利用芯片上10 bit ADC實現。恒流源電流通過R16進行校準，而工作時間模式通過P6和P4進行選擇。測量電路以Pt1000鉑電阻為溫度傳感器，采用四線制比值法消除引線電阻干擾，以提高測量精度[7]。

1.1.3 存儲模塊電路設計

存儲模塊電路采用MICRCHIP公司的25LC256-H作為數據存儲芯片。該芯片支持串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)串行數據通信協議，電可擦寫次數大于1 000 000次，存儲空間為256 KB，共可存儲32 762組8位數據，支持在-40～+140 ℃范圍內工作。存儲模塊電路設計如圖3所示。

圖3 存儲模塊電路設計圖

1.1.4 電池管理模塊電路設計

電池管理模塊主要由LINEAR公司的LTC3124和LT3060-5主芯片構成。LTC3124芯片可實現DC-DC升壓轉換。其輸入電壓為1.8～5.5 V;工作溫度范圍較寬，為-40～+150 ℃。LT3060-5芯片工作電壓為1.6～45 V，可微功率運行，實現低壓差電壓線性穩壓。芯片內部具有反向電池保護、反向輸出保護、反向電流保護、折返電流限制和熱停機等保護電路[8]。

電池管理模塊電路設計如圖4所示。

圖4 電池管理模塊電路設計圖

1.2 系統軟件設計

溫度數據自動采集儀控制軟件系統設計流程如圖5所示。

圖5 控制軟件系統設計流程圖

溫度數據自動采集儀系統軟件數據采集部分基于TI公司代碼調試器工作平臺對PGA900ARHHR進行編程，并通過其配置串口通信協議將經過均值濾波的測量數據發送至存儲模塊[9]。系統軟件的控制部分基于ST公司的STM8AF6223STVD控制芯片進行編程，采用ST公司的視覺程序開發編程環境，利用串行調試接口對系統進行控制。系統程序中，存儲數據信息分為電池電壓信息、恒流源校準電流信息、數據末尾地址信息、工作模式選擇信息及24位溫度采集信息。此外，溫度數據自動采集儀上位機系統軟件還可實現測量數據的讀取、顯示、導出、溫度校準，以及操作、參數設定、數據重啟和清除等指令的下達[10-11]。

1.3 外殼封裝設計

溫度數據自動采集儀工作環境較為嚴苛，高溫、高濕環境對外殼的密閉性和防水抗壓性均提出了挑戰。本研究采用316 L不銹鋼作為外殼加工材料，外觀結構為圓柱型。封裝外殼主要由金屬封裝底座和頂部、Pt1000溫度傳感器、通信觸點A和通信觸點B構成。圓柱型設計有利于在狹小密封環境中使用通信觸點。金屬外殼材質保證了整機具有防水抗壓功能。此外，通信觸點采用數字模擬接口串口，避免了外部高濕環境影響造成的測量電路或電池短路。

外殼封裝設計如圖6所示。

圖6 外殼封裝設計圖

1.4 控制軟件設計

溫度數據自動采集儀控制軟件界面主要包括串口端口號下拉列表框、傳輸速率微調按鈕、串口開關按鈕、重讀存儲按鈕、清空存儲按鈕、清空數據按鈕、提示燈、電池電量文本框、電流值文本框、數據總量文本框、溫度-采集時間折線圖和Excel工作表按鈕。通過選擇串口端口號，使得控制軟件與電腦連接，并通過傳輸速率微調按鈕實現數據傳輸速率調節。傳輸數據分為電池電量位、電流數據位、數據讀取結束位、時間標志位和數據位。測量的溫度數據通過Excel工作表按鈕導出至Excel表格。導出的每組數據均包括采集數據值及其對應采集時間。

2 示值誤差校準試驗

為驗證設計的溫度數據自動采集儀的測量準確性，采用二等標準鉑電阻溫度計和恒溫槽進行示值誤差校準試驗。溫度數據自動采集儀校準結果如表1所示。

表1 溫度數據自動采集儀校準結果

在-40～+140 ℃校準范圍內，本文研制的溫度數據自動采集儀示值誤差范圍為0.00～0.06 ℃。該溫度數據自動采集儀在140 ℃校準點示值誤差最大，為0.06 ℃。整個校準試驗時間約3 h，設備密封完好，功能正常無損傷。

3 醫用熱力滅菌設備溫度計的校準

醫用熱力滅菌設備溫度計是利用密封腔體中的高溫蒸汽對載體進行滅菌的設備。依據JJF 1308—2011[12]技術標準要求，使用研制的溫度數據自動采集儀對滅菌設備溫度計的溫度參數進行校準。主要參數包括示值誤差、溫度均勻度和滅菌保持時間。取三次重復試驗的測量平均值為校準結果。

醫用滅菌設備溫度計的溫度校準曲線如圖7所示。

圖7 醫用滅菌設備溫度計的溫度校準曲線

進行校準的滅菌設備溫度計的滅菌設定溫度為121 ℃，顯示溫度為121 ℃，三次測量平均值為121.66 ℃，計算可得示值誤差為0.66 ℃。滅菌保持時間為35 min，中心位置測量點溫度數據采集儀的測量溫度最大值和最小值分別為121.84 ℃和121.38 ℃，計算可得溫度波動度為0.46 ℃(U=0.25 ℃，k=2)。

4 結論

本文研制的溫度數據自動采集儀整機工作電流為8.4 mA，功耗僅30 mW。根據匹配電池容量，以4 000 mAH為例，該設備可連續工作240 h。該設備測溫范圍達到-40～+140 ℃，測量精度絕對值優于0.1 ℃，可存儲32 767組8位數據。

此外，本文利用研制的溫度數據自動采集儀對醫用熱力滅菌設備溫度計的溫度參數進行了校準，獲得了溫度波動度和示值誤差等參數。試驗結果表明，所研制的溫度數據自動采集儀具有較高的測量精度和測溫范圍，具備市場化能力。

該設備推向市場后可替代國外同類測量設備，提高密封設備如醫用熱力滅菌設備溫度計、干熱烘箱、巴氏滅菌器和清洗消毒設備等的國內計量檢測技術水平。