吳耕馗

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，福建 福州 350002）

1 概述

溫濕度場的應用廣泛存在于產(chǎn)品檢驗、科學實驗、環(huán)境保持諸多領域，為了保證和提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性, 環(huán)境試驗設備被大量地使用，模擬特定參數(shù)下的溫濕度場對產(chǎn)品進行環(huán)境適應性試驗。為確保其技術指標滿足受試產(chǎn)品的試驗要求，溫濕度場的校準需求近十年來迅速膨脹，逐漸成為一項重要的計量校準項目，市場上各式各樣的校準裝置也應運而生。以下介紹一款以KEITHLEY公司2701型數(shù)據(jù)采集器為基礎組建的溫濕度場校準系統(tǒng)，力圖囊括準確、穩(wěn)定、高效的優(yōu)點。文中對構建系統(tǒng)的技術要點詳述了解決方法，以期對后來者有所幫助。

2 系統(tǒng)原理

2701是一款真六位半（22比特位）基本準確度的多功能采集器，可測量交直流電壓、電流，二、四線電阻，溫度，周期，頻率。12種開關/控制插件模塊可選，具有靈活方便的特點，支持多達80個用于測量與控制的差分輸入通道，可給待測器件提供激勵源，切換信號通道，控制系統(tǒng)組件，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多達14種功能的精密測量，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲容量高達45,000個測量值［1］。內(nèi)置通訊接口除RS232串口外首次集成基于TCP/IP協(xié)議的通訊系統(tǒng)，利用以太網(wǎng)的資源和優(yōu)勢，確保在嘈雜的環(huán)境下遠程數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)姆€(wěn)定性，隨著互聯(lián)網(wǎng)應用普及，具有以太網(wǎng)通信功能的智能儀器比采用傳統(tǒng)的GPIB（IEEE 488）儀器接口更符合科技發(fā)展需求。

7708型插入式模塊，提供帶自動CJC功能的40個兩極通道或20個四極通道的差分多路切換功能，可以配置為兩組相互獨立的多路復用器，設置到14 項測量/控制功能的任何一項，從而使得7708成為RTD、熱敏電阻和熱電偶溫度測量的理想選擇。它同樣適合需要多點監(jiān)控的混合信號測量應用。7708型模塊以繼電器切換通道，速度雖不及電子開關式，但在本系統(tǒng)應用中溫濕度屬于緩變信號，足以保證多路的同步性，同時避免了電子開關通道間串擾帶來的誤差。模塊板配螺旋固定接線端子，若傳感器直接連接不適合移動應用，多個傳感器引線相鄰纏繞使得收拾不便，實際應用中通常采用便于插拔的快速連接器過渡。

在低溫段（-100～200℃），鉑電阻傳感器是測溫的不二之選，一般采用經(jīng)過篩選的四線1/3DIN以上等級PT100傳感器。多數(shù)溫濕度場在此溫度段要求較高的準確度，2701此項年穩(wěn)定精度為±0.06℃，通道間誤差幾乎為零，滿足一般校準要求。中溫段可考慮T分度熱電偶，高溫段用S分度熱電偶。濕度傳感器選擇半導體濕敏器件較為方便，其中較好的有瑞士ROTRONIC公司和芬蘭VAISA-LA公司的產(chǎn)品，一般準確度在±（1～2）%RH之間。在高濕段可以采用干濕球法，測得干濕球溫度通過軟件換算為濕度，能取得相對較高的準確度。

校準軟件完成數(shù)據(jù)采集控制、計算處理、原始記錄、報告生成等，自然是系統(tǒng)靈魂所在，實驗室應用多采用LabVIEW，TestPoint等虛擬儀器語言，KEITHLEY提供了相應的驅(qū)動，軟件編制簡單但缺乏靈活性。若使用VB，C++等高級語言開發(fā)，也支持IVI驅(qū)動，自然效果更佳。校準用軟件通常以一種或多種標準為工作依據(jù)，當前我國暫無環(huán)境試驗設備的國家檢定規(guī)程，現(xiàn)行常用的是JJF1101-2003《環(huán)境試驗設備溫度、濕度校準規(guī)范》，該規(guī)范給出了溫濕度場設備通用技術要求及容積相關的傳感器布點方法，按照校準規(guī)范要求，軟件控制采集各點數(shù)據(jù)，計算被校設備的溫濕度偏差、波動度、均勻性等參數(shù)，比對指標作合格判定，并自動完成原始數(shù)據(jù)的記錄和出具證書。

3 實例

筆者組建的現(xiàn)場校準系統(tǒng)如圖1所示：

PC與2701分別與交換機（集線器）連接，每臺2701配兩塊7708模塊，通常能同時進行3臺溫濕度場設備的校準，使用交換機的目的在于擴展使用多臺2701的場合，可以同時開展數(shù)十個校準檢測。一般應用單臺采集器的系統(tǒng)也可以不使用交換機，直接與PC網(wǎng)口連接，但應使用交叉線。連接后把IP地址設置在同一網(wǎng)段內(nèi)，以局域網(wǎng)段為宜，如2701使用其默認地址192.168.0.2，PC機地址設為192.168.0.9，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，用ping命令檢查，若連接正常接著使用瀏覽器輸入采集器IP地址應能看到其內(nèi)置WEB頁。

軟件基于Windows用Delphi語言編程，同2701的連接使用Indy［2］。Indy是一組開源的Internet組件，涵蓋大部分流行的Internet協(xié)議，Indy基于阻塞模式工作，用戶代碼順序執(zhí)行，編程簡單。阻塞式Socket調(diào)用要等待任務完成才能返回，故需要在程序中添加一個IdAntiFreeze組件解決用戶界面“凍結”問題。軟件使用IndyClient選項卡的IdTCPClient組件建立客戶端套接字，對于發(fā)送不同類型的數(shù)據(jù)，IdTCPClient有不同的過程，向2701發(fā)送指令使用WriteLn過程，它自動在發(fā)送字符串后添加回車符。接收應答相應選擇ReadLn()函數(shù)。示例代碼如下：

…

軟件對2701初始化掃描設置的必要項目包括：檢查通訊，加載復位設置，查詢插入式模塊，檢查輸入開關位置，同步系統(tǒng)時鐘，檢查電池狀態(tài)，設置溫度單位，禁止存儲器自動清空，設置存儲控制、存儲源、時間戳、返回數(shù)據(jù)格式，設置溫度通道功能類型、濕度通道功能量程、掃描列表，禁用連續(xù)啟動、設置采樣計數(shù)、觸發(fā)計數(shù)、定時觸發(fā)、自動延時、掃描使能。設置時同步檢查各參數(shù)是否生效，設置完畢采集器進入等待啟動狀態(tài)。在適合時由PC觸發(fā)掃描運行，2701開始采集數(shù)據(jù)并保存在內(nèi)部存儲器中，無需PC干預直到存儲器滿。

2701不能單獨設置掃描周期，用戶只能在各通道同步性與采樣數(shù)據(jù)量兩方面作個權衡，略顯不便。另外2701部分參數(shù)配置講究先后次序，否則出錯，可參考上述流程。

圖2顯示了軟件各功能模塊間的關系，通道布局模塊規(guī)定每支傳感器在溫濕度場的分布位置及其連接的2701通道編號，測量前預先設置，設置方案可保存在數(shù)據(jù)庫以便下次調(diào)用。誤差校正模塊根據(jù)傳感器計量校準結果修正采集的每個測量值，被校信息模塊記錄溫濕度場設備基本信息及技術指標，數(shù)據(jù)處理模塊實時跟蹤計算偏差，均勻度，波動度，進入穩(wěn)態(tài)后提取間隔2分鐘的15組數(shù)據(jù)形成原始記錄［3］，自動結束校準過程。溫濕度曲線的繪制采用的是Steema Software公司開發(fā)的TeeChart Pro圖表圖形組件，該組件支持多種編程平臺，安裝TeeChart Pro應先刪除Delphi自帶的Chart組件避免混淆。TeeChart Pro提供上百種圖形風格、40種數(shù)學統(tǒng)計函數(shù)，無限量的坐標軸、22種調(diào)色板控件以及便利的圖表操作工具。繪制動態(tài)數(shù)據(jù)曲線時采用自右向左推進，當曲線顯示到x軸最右端時修改其顯示起點，整個曲線動態(tài)左移。實時走勢圖及原始記錄曲線使用2個DBChart，各序列與數(shù)據(jù)集相應字段連接，左軸為溫度軸，右軸為濕度軸，隨序列值動態(tài)范圍自動或手工調(diào)整顯示區(qū)域，界面如圖3所示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用常見的ACCESS格式，ADOQuery組件訪問，接收的采樣數(shù)據(jù)及計算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)子集、原始記錄均采用ClientDataSet數(shù)據(jù)庫組件，ClientDataSet好處在于能夠在內(nèi)存中建立數(shù)據(jù)的副本，無須連接數(shù)據(jù)庫，能避免頻繁操作硬盤。原始記錄最終保存為流文件，專有格式結構，其他工具不可修改，保證了數(shù)據(jù)嚴肅性。

本系統(tǒng)投入使用三年開展校準工作數(shù)百次，自身未經(jīng)任何調(diào)整，從歷次計量檢定結果看，準確度仍保持原有設計狀態(tài)不變，效果令人滿意。

4 結語

KEITHLEY 2701這樣一種將精密測量、程控開關和控制功能集成在一個緊湊機箱內(nèi)的混合信號測試平臺，為自動化檢測提供了多通道、造價低廉的高性能方案。相對于國內(nèi)許多自行設計前端信號調(diào)理，單片機控制AD轉換或使用基于PC的采集卡，軟件實時接收數(shù)據(jù)的方式而言，本設計構思不僅省去了硬件開發(fā)成本和周期，在穩(wěn)定性方面亦更勝一籌，還可以方便地利用網(wǎng)絡優(yōu)勢擴展遠程測控，是快速開發(fā)數(shù)據(jù)采集類應用的理想方案。

[1]Model 2701 Ethernet-Based DMM/ Data Acquisition System User's Manual. Keithley Instruments, Inc.

[2]（美）坎圖（Cantu,M.）. Delphi7 從入門到精通[M].羅證等譯.北京：電子工業(yè)出版社， 2003（10）.

[3]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. JJF1101-2003，環(huán)境試驗設備溫度 濕度校準規(guī)范[S].北京：中國計量出版社，2003（8）.