金 鑫/ 上海市浦東新區(qū)計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)所

0 引言

環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備[1]主要包括干燥箱、老化箱、生化培養(yǎng)箱、恒溫恒濕培養(yǎng)箱、高低溫濕熱試驗(yàn)箱等，是生產(chǎn)企業(yè)、科研院所常用的設(shè)備，主要是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，借以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中存在的缺陷以及是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求或產(chǎn)品規(guī)范的要求。為達(dá)到這樣的目的，首要條件就是試驗(yàn)設(shè)備本身的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合試驗(yàn)條件和規(guī)定的技術(shù)要求，這樣才能保證產(chǎn)品試驗(yàn)的真實(shí)性和數(shù)據(jù)的可靠性。根據(jù)我國計(jì)量法規(guī)的規(guī)定，要求定期對(duì)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，校準(zhǔn)工作非常費(fèi)時(shí)，且工作量很大，需要在環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的多個(gè)不同的溫度、濕度設(shè)定點(diǎn)下，對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)空間多個(gè)點(diǎn)的溫度、濕度進(jìn)行重復(fù)多次的測(cè)量。

雖然現(xiàn)今市場(chǎng)上有不少溫濕度巡檢儀或自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)之類的溫濕度測(cè)量?jī)x表，由于不是特制設(shè)備，大多存在一些問題，不能很好滿足溫濕度環(huán)境試驗(yàn)箱的校準(zhǔn)工作需求。這些產(chǎn)品普遍存在的問題有：布線不方便；溫、濕度傳感器使用溫度范圍較窄；全套系統(tǒng)配備價(jià)格昂貴；沒有全面考慮試驗(yàn)箱校準(zhǔn)工作中，影響準(zhǔn)確測(cè)量的各種因素；數(shù)據(jù)處理煩瑣復(fù)雜，工作效率低。

計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)普遍采用的校準(zhǔn)方法為將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻放在環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中，通過數(shù)字多用電表讀出此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的電阻值，然后通過該標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的電阻-溫度對(duì)照表和濕度查算表來查找電阻值對(duì)應(yīng)的溫度和濕度，根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定溫濕度環(huán)境試驗(yàn)箱的工作狀況。從整個(gè)校準(zhǔn)過程可以看到，用這種方法校準(zhǔn)溫濕度試驗(yàn)設(shè)備非常費(fèi)時(shí)，且數(shù)據(jù)處理麻煩，工作效率極低。

Fluke 公司的Hydra 系列數(shù)據(jù)采集器是新一代的溫度便攜式測(cè)量設(shè)備，可以有效地提高工作效率。

計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)于被測(cè)結(jié)果不僅僅包含數(shù)據(jù)，還要求詳細(xì)的被測(cè)對(duì)象信息，包括生產(chǎn)廠家、型號(hào)、編號(hào)、委托對(duì)象、檢測(cè)用設(shè)備本身信息等，而FLUKE 公司提供的軟件并不適用。NI 公司推出的LabVIEW 是虛擬儀器領(lǐng)域中領(lǐng)先的測(cè)試測(cè)量和控制系統(tǒng)開發(fā)工具,是目前最流行、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快和功能最強(qiáng)的圖形化軟件。所以本文著重介紹了以T 型熱電偶及干濕球法測(cè)量溫濕度，以FLUKE 2635A 數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)為例，基于LabVIEW 平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)采集器程序的二次開發(fā)，該系統(tǒng)甚至能對(duì)設(shè)備的溫濕度偏差、均勻度、波動(dòng)度[2]等進(jìn)行計(jì)算，最終生成完整的原始記錄。

1 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件的基本設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)軟件功能要求和技術(shù)指標(biāo)，遵循自上而下，由大到小，由粗到細(xì)的思想，按照軟件的功能層次，把軟件分成若干個(gè)功能模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，然后把它們連接起來，進(jìn)行總調(diào)（如圖1所示）。

圖1 功能模塊框圖

主要控制模塊：整個(gè)軟件系統(tǒng)的主程序，用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤發(fā)出指令后，主要控制模塊通過統(tǒng)一調(diào)度各功能模塊實(shí)現(xiàn)用戶意圖，并利用LabVIEW的虛擬儀器前面板設(shè)計(jì)風(fēng)格，為用戶提供一個(gè)操作簡(jiǎn)單、清楚的人機(jī)交互界面。

數(shù)據(jù)采集模塊：軟件通過這一模塊，利用COM端口，發(fā)出指令給FLUKE 2635A 數(shù)據(jù)采集器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

數(shù)據(jù)顯示模塊：將處理過的數(shù)據(jù)，在人機(jī)交互界面上顯示，以方便校準(zhǔn)人員觀察數(shù)據(jù)的變化。

自動(dòng)、手動(dòng)校準(zhǔn)模塊：按JJF 1101—2003 校準(zhǔn)規(guī)范的數(shù)據(jù)處理要求，通過合理的設(shè)置，將最后數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。

報(bào)告生成模塊：最終模塊，它將所有經(jīng)過采集、計(jì)算處理的數(shù)據(jù)，通過excel 模板保存起來，作為此次校準(zhǔn)的原始記錄報(bào)告。

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

LabVIEW 為用戶硬件提供了許多在儀器驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)中使用的子程序，可以直接使用由NI 公司開發(fā)的儀器驅(qū)動(dòng)程序，而不必從頭開發(fā)，很多驅(qū)動(dòng)都可以從NI 公司網(wǎng)站上下載。

FLUKE 2635A 數(shù)據(jù)采集器按用戶手冊(cè)對(duì)RS232串口通信參數(shù)進(jìn)行配置，同時(shí)可以查詢到很多RS232 指令，LabVIEW 通過這些查詢指令很方便地獲得各個(gè)通道的測(cè)量值。數(shù)據(jù)采集模塊流程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖

1.2 數(shù)據(jù)顯示模塊

顯示模塊在前界面顯示溫濕度點(diǎn)的數(shù)值并能指示各個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)與中心溫度點(diǎn)之間的變化和實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)的圖形化。

本文采用干濕球法測(cè)量濕度，濕度的轉(zhuǎn)換是通過Goff-Grattch 公式計(jì)算所得。利用LabVIEW的“公式節(jié)點(diǎn)”可將干球濕球測(cè)得的溫度轉(zhuǎn)換成相對(duì)濕度，流程見圖3。

圖3 相對(duì)濕度的轉(zhuǎn)換流程圖

各溫度測(cè)量點(diǎn)與中心溫度點(diǎn)之間的變化情況：當(dāng)各個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)比中心溫度點(diǎn)溫度低時(shí)顯示藍(lán)色，高時(shí)顯示紅色，相等時(shí)顯示綠色。由于LabVIEW 里的布爾控件指示燈只有兩種狀態(tài)，所以需要用布爾控件的顏色屬性節(jié)點(diǎn)和引用句柄，來創(chuàng)建一個(gè)三態(tài)指示燈子程序。創(chuàng)建的三態(tài)指示燈子程序，要通過另外一個(gè)子程序創(chuàng)建的指示燈bool 引用才能正常運(yùn)行。

實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的圖形化顯示，在實(shí)時(shí)校準(zhǔn)時(shí)，有選擇地顯示多個(gè)通道曲線或者波形，可以是一條，多條或者是全部。有多種方法實(shí)現(xiàn)：一、利用波形控件的屬性節(jié)點(diǎn)，隱藏不需要顯示的部分曲線，此方法程序運(yùn)行時(shí)比較緩慢，不推薦；二、通過控制波形數(shù)組元素?cái)?shù)量，來控制顯示波形的數(shù)量，該方法在改變曲線數(shù)量時(shí)，曲線的次序、線形、顏色也會(huì)隨之改變，可利用空數(shù)組的方法來實(shí)現(xiàn)，這就是第三種方法；三、利用二的方法再結(jié)合空數(shù)組實(shí)現(xiàn)波形的選擇。但上述幾種方法程序框圖復(fù)雜，這里可以利用LabVIEW 里的Express VI“選擇信號(hào)”和“轉(zhuǎn)換至動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)”函數(shù)來實(shí)現(xiàn)波形的選擇。

數(shù)據(jù)顯示模塊通過數(shù)據(jù)采集模塊的采集，將數(shù)據(jù)顯示在主界面上，使計(jì)量校準(zhǔn)員能實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)變化情況。流程圖見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)顯示模塊流程圖

1.3 自動(dòng)、手動(dòng)校準(zhǔn)模塊

主要實(shí)現(xiàn)的功能是按JJF 1011-2003 校準(zhǔn)項(xiàng)目的要求，對(duì)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫濕度偏差、溫濕度均勻度、溫濕度波動(dòng)度等測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.3.1 手動(dòng)校準(zhǔn)模塊

環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備校準(zhǔn)方法要求在穩(wěn)定的狀態(tài)下，30 min 內(nèi)（每2 min 測(cè)試一次）對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，求出各值。所以，通過記錄控制按鈕，每隔2 min 掃描一次數(shù)據(jù)，連續(xù)采集15 次。同時(shí)為了便于觀察掃描，設(shè)計(jì)模塊能顯示已掃描的次數(shù)和距下一次掃描的時(shí)間間隔?？捎肔abVIEW 中的“已用時(shí)間”函數(shù)，該子程序是一個(gè)非常有用的定時(shí)子程序，不僅可作定時(shí)功能，還可用作倒計(jì)時(shí)功能。手動(dòng)校準(zhǔn)模塊流程見圖5。

圖5 手動(dòng)校準(zhǔn)模塊流程圖

注意：由于數(shù)據(jù)顯示模塊和自動(dòng)、手動(dòng)校準(zhǔn)模塊都是通過2 個(gè)while 循環(huán)并行運(yùn)行的，故在數(shù)據(jù)采集模塊后加一個(gè)中間常量，同時(shí)在手動(dòng)校準(zhǔn)模塊程序框圖中用局部變量來引用。

1.3.2 自動(dòng)校準(zhǔn)模塊

自動(dòng)校準(zhǔn)模塊是在手動(dòng)校準(zhǔn)模塊的基礎(chǔ)上，加一個(gè)溫度穩(wěn)定平衡時(shí)間功能。由于環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備在達(dá)到設(shè)定溫濕度時(shí)，都需要一段時(shí)間來穩(wěn)定，即使對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定的試驗(yàn)箱來說，打開箱子進(jìn)行測(cè)試點(diǎn)布置后，仍需要一段時(shí)間的穩(wěn)定。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試任務(wù)的繁重，此模塊的設(shè)計(jì)充分利用了這一段等待平衡的時(shí)間，在布好測(cè)試點(diǎn)、設(shè)置平衡時(shí)間后，就可以進(jìn)行其他的測(cè)試任務(wù)。

模塊的設(shè)計(jì)同手動(dòng)校準(zhǔn)模塊一樣，也是使用“已用時(shí)間”函數(shù)，實(shí)現(xiàn)方法與手動(dòng)校準(zhǔn)模塊類似。自動(dòng)校準(zhǔn)模塊流程見圖6。

圖6 自動(dòng)校準(zhǔn)模塊流程圖

1.4 報(bào)告生成模塊

Office 軟件是目前比較流行的數(shù)據(jù)記錄和報(bào)告生成辦公軟件，其中最常用的是Word 文檔處理軟件和Excel 表格處理軟件，而LabVIEW 報(bào)告生成工具包(Report Generation Toolkit)是用于生成Word 和Excel文檔的工具包。

本模塊采用的是工具包中的MS Office Report Express 子程序，利用Excel 或Word 模板創(chuàng)建報(bào)表，因?yàn)橛?jì)量校準(zhǔn)報(bào)告都有規(guī)范化的要求，有固定的內(nèi)容和形式，所以采用MS Office Report Express 子程序是比較方便的。

由于有些委托單位對(duì)最終的結(jié)果需要溫濕度曲線波形，所以在生成報(bào)告的同時(shí)，根據(jù)最終采集的15 次或更多的數(shù)據(jù)，生成每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的圖形報(bào)表，供委托單位使用。完整的報(bào)告生成流程見圖7。

圖7 報(bào)告生成模塊流程圖

1.5 系統(tǒng)集成

通過以上幾個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，進(jìn)行整合調(diào)試，最終完成的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備校準(zhǔn)系統(tǒng)主界面見圖8。

圖8 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備校準(zhǔn)系統(tǒng)主界面

2 結(jié)語

本文校準(zhǔn)系統(tǒng)的使用符合現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)習(xí)慣，方便解決現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)遇到的問題，使客戶能及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，滿足客戶長(zhǎng)期在線檢測(cè)的要求，同時(shí)提高環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備性能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，且極大地提高工作效率，降低校準(zhǔn)人員的工作強(qiáng)度，從根本上避免了原始數(shù)據(jù)計(jì)算中的人為誤差。

通過學(xué)習(xí)圖形化編程語言LabVIEW，解決了由于手動(dòng)操作對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，尤其像熱學(xué)、電磁一類的檢測(cè)，此系統(tǒng)的開發(fā)，符合向校準(zhǔn)自動(dòng)化方向發(fā)展的要求。

[1]楊修杰.多通道智能溫濕度巡檢儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都理工大學(xué)，2009.

[2]全國溫度計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1101-2003[S].北京：中國計(jì)量出版社，2003.

[3]壽文杰.基于Hydra系列數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].廣西質(zhì)量監(jiān)督導(dǎo)報(bào)，2009(07)：49-50+52.

[4]陳樹學(xué)，劉萱.Labview寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[5]陸強(qiáng)，戴文.基于LabVIEW的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫濕度檢定系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2007(07)：64-66+90.