李群，李楠，張澤光

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095)

0 引言

目前，我國(guó)大多數(shù)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量計(jì)量已配備電子天平或質(zhì)量比較儀，大多數(shù)砝碼質(zhì)量校準(zhǔn)過(guò)程沒(méi)有采用空氣浮力修正，或分別測(cè)量溫度、濕度、大氣壓力由人工計(jì)算，且這個(gè)過(guò)程多為人工讀取與記錄數(shù)據(jù)。隨著計(jì)量準(zhǔn)確度要求的提高，空氣浮力逐漸成為工作中必需考慮的因素之一。依據(jù)JJG 99-2006《砝碼檢定規(guī)程》，海拔330 m以上使用E1等級(jí)、E2等級(jí)砝碼，海拔800 m以上使用F1等級(jí)砝碼都應(yīng)進(jìn)行空氣浮力修正。由于我國(guó)地形復(fù)雜，有不少擔(dān)負(fù)國(guó)防計(jì)量保障任務(wù)的計(jì)量機(jī)構(gòu)處于高海拔地區(qū)，因此有必要滿足實(shí)際需求，構(gòu)建空氣浮力修正砝碼質(zhì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)，使計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)更加規(guī)范、高效地開(kāi)展質(zhì)量計(jì)量檢定工作。

根據(jù)JJG 99-2006《砝碼檢定規(guī)程》中空氣密度的近似公式，需要測(cè)量環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、大氣壓力三個(gè)空氣參數(shù)來(lái)確定空氣密度。在日常的砝碼檢定傳遞過(guò)程中，對(duì)于需要進(jìn)行空氣浮力修正的校準(zhǔn)過(guò)程，空氣參數(shù)的采集大多采用非實(shí)時(shí)測(cè)量的方式，與砝碼質(zhì)量的測(cè)量過(guò)程并不同步，直接影響了計(jì)量的準(zhǔn)確度;并且大多數(shù)是分別采用溫濕度計(jì) (或其傳感器)、大氣壓力計(jì) (或其傳感器)來(lái)實(shí)現(xiàn)，存在大氣數(shù)據(jù)采集過(guò)程難以協(xié)同、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)記錄不方便、空氣參數(shù)趨勢(shì)變化難以直觀顯示、以往的趨勢(shì)變化難以靈活回溯查看、其他設(shè)備或程序不方便調(diào)用等問(wèn)題。隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型空氣傳感器不斷地面世，集成了環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、大氣壓力等參數(shù)采集功能，與電腦PC上位機(jī)連接后，可將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。此外，由于新型傳感器自身體積小，也便于集成應(yīng)用到各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

本文從當(dāng)前砝碼質(zhì)量校準(zhǔn)現(xiàn)狀出發(fā)，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建砝碼質(zhì)量校準(zhǔn)平臺(tái)，并通過(guò)新型空氣傳感器采集大氣參數(shù)，將換算得到的空氣密度應(yīng)用到質(zhì)量校準(zhǔn)平臺(tái)上，來(lái)對(duì)測(cè)試的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的空氣浮力修正，以提高質(zhì)量校準(zhǔn)在不同大氣環(huán)境條件下的準(zhǔn)確度。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由上位機(jī) (電腦PC)、電子天平的無(wú)線數(shù)據(jù)采集部分和空氣參數(shù)采集三部分組成，如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)上位機(jī) (電腦PC)與電子天平的無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊、空氣傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊相連接，實(shí)時(shí)接收電子天平和空氣傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)集中處理顯示、存儲(chǔ)，從供查詢。

2)電子天平的無(wú)線數(shù)據(jù)采集部分采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)，ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有低功耗、低成本、低速率、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全等特點(diǎn)。利用該技術(shù)，可以將近距離分布放置的多臺(tái)電子天平共同構(gòu)建到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，由其中的網(wǎng)關(guān)部分負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)诫娔XPC上位機(jī)處理。該部分由主站、中繼路由、終端、用戶終端共同構(gòu)成:①主站:與上位機(jī)連接，負(fù)責(zé)收集無(wú)線終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并發(fā)送給上位機(jī)。同時(shí)，接收來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)，根據(jù)協(xié)議發(fā)送給終端;②中繼路由:組網(wǎng)傳輸，在主站與終端距離較遠(yuǎn)的情況下，發(fā)揮中繼功能;③終端:與用戶終端連接，將來(lái)自用戶終端數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，同時(shí)將接收的數(shù)據(jù)傳輸給用戶終端;④用戶終端:即電子天平，與終端連接。

3)空氣參數(shù)采集部分與上位機(jī)相連接，負(fù)責(zé)向上位機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送空氣參數(shù)數(shù)據(jù)。由模塊、傳感器共同構(gòu)成:①模塊:與傳感器連接，負(fù)責(zé)收集傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)模塊轉(zhuǎn)化后發(fā)送給上位機(jī);②傳感器:采集空氣參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.2 基本原理

整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程采用雙次替代法ABBA及單次替代法ABA的校準(zhǔn)方法。校準(zhǔn)開(kāi)始，通過(guò)上位機(jī) (電腦PC)打開(kāi)空氣傳感器，實(shí)時(shí)采集空氣參數(shù)，系統(tǒng)記錄校準(zhǔn)過(guò)程開(kāi)始時(shí)間;用戶根據(jù)實(shí)際使用情況，選擇當(dāng)前工作的電子天平，電子天平將砝碼質(zhì)量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線采集模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，用戶便可確認(rèn)采集，依次完成一組砝碼的ABBA或ABA質(zhì)量數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)記錄結(jié)束時(shí)間，根據(jù)該時(shí)間段的空氣參數(shù)擬合出空氣密度，并進(jìn)行空氣浮力修正，得到校準(zhǔn)結(jié)果。按照上述步驟，完成整套砝碼質(zhì)量校準(zhǔn)，即可打印輸出原始記錄。在需要計(jì)算不確定度的情況下，根據(jù)用戶需要，系統(tǒng)可整合上級(jí)砝碼、電子天平、空氣浮力等因素引入的不確定度分量，得出校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

硬件部分，整個(gè)空氣浮力修正系統(tǒng)所用到的設(shè)備為:電腦PC上位機(jī)1臺(tái);電子天平n臺(tái) (可根據(jù)具體的使用情況進(jìn)行擴(kuò)充)，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊n+1套，分別與電腦PC上位機(jī)和電子天平相連;空氣傳感器1支;數(shù)據(jù)采集模塊1個(gè)。傳感器技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 傳感器主要特性與技術(shù)指標(biāo)

軟件部分使用VB.net 2008進(jìn)行軟件編程，并使用Microsoft SQL server 2008建立和管理數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 功能設(shè)置

2.2.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

使用PComm串口技術(shù)對(duì)電子天平發(fā)送過(guò)來(lái)的砝碼質(zhì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，根據(jù) JJG99-2006《砝碼檢定規(guī)程》，采用雙次替代法ABBA及單次替代法ABA的自動(dòng)校準(zhǔn)方法，整合空氣密度自動(dòng)存儲(chǔ)砝碼折算質(zhì)量并生成檢定原始記錄。

空氣浮力修正質(zhì)量校準(zhǔn)界面如圖2所示，集成串口參數(shù)設(shè)置、串口開(kāi)關(guān)、手動(dòng)及自動(dòng)檢定、電子天平選擇、砝碼折算質(zhì)量檢定記錄顯示與存儲(chǔ)、檢定記錄導(dǎo)出和檢定結(jié)果顯示等功能。

圖2 砝碼質(zhì)量校準(zhǔn)界面

空氣參數(shù)數(shù)據(jù)采用ZedGraph圖形化技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并以圖形化友好界面顯示空氣參數(shù)趨勢(shì)變化。數(shù)據(jù)采集時(shí)間周期間隔為6 s，采集曲線顯示界面見(jiàn)圖3所示，采集數(shù)據(jù)點(diǎn)在橫坐標(biāo)軸上布滿時(shí)，曲線將自動(dòng)向負(fù)坐標(biāo)軸方向?qū)崟r(shí)移動(dòng)，可動(dòng)態(tài)顯示最新采集的數(shù)據(jù)。同時(shí)，采集曲線界面還具有曲線打印、保存為圖片等功能。

圖3 空氣參數(shù)采集界面

2.2.2 數(shù)據(jù)查詢

用戶通過(guò)砝碼質(zhì)量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)檢定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、刪除、修改、導(dǎo)出和打印等操作。同時(shí)本系統(tǒng)建立了砝碼體積數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶只需在初次使用某一砝碼體積時(shí)人工錄入該砝碼體積，后續(xù)檢定工作中便可在砝碼體積數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢調(diào)用。

空氣參數(shù)存儲(chǔ)界面可按時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間跨度查詢實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)曲線查看各大氣參數(shù)變化趨勢(shì)，同時(shí)具有打印、導(dǎo)出excel功能，見(jiàn)圖4所示。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

鑒于SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)可以快速的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用，具有使用簡(jiǎn)單、易用、效率高等特點(diǎn)，所以使用該軟件建立和管理數(shù)據(jù)庫(kù)。也可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢功能。后續(xù)可根據(jù)實(shí)際計(jì)量工作需求，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)擴(kuò)充，來(lái)不斷滿足實(shí)際使用要求。

圖4 空氣參數(shù)歷史數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語(yǔ)

該校準(zhǔn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量 (以砝碼為例)計(jì)量中空氣密度實(shí)時(shí)采集，用于實(shí)驗(yàn)室對(duì)砝碼質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)空氣浮力修正，使得實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量測(cè)量的數(shù)據(jù)更加精確可靠;同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量計(jì)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)化存儲(chǔ)，便于查詢，提高質(zhì)量計(jì)量工作效率。

該校準(zhǔn)系統(tǒng)中的空氣參數(shù)采集部分，可廣泛應(yīng)用于各校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)，替代傳統(tǒng)的人工記錄過(guò)程，也可應(yīng)用于其他需要進(jìn)行空氣密度監(jiān)測(cè)的專業(yè)機(jī)構(gòu) (如風(fēng)力發(fā)電站等)。

[1]Bill Evjen，Bill Hollis.VB.NET高級(jí)編程 [M].3版.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

[2]Robert Vieira.SQL Server 2008高級(jí)程序設(shè)計(jì) [M].北京:清華大學(xué)出版社，2010.

[3]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用 [M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[4]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG99－2006砝碼檢定規(guī)程[S].北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2007.