廖旭輝，鄭永明，徐 恒，王堯君

（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廖旭輝，鄭永明，徐 恒，王堯君

（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

針對(duì)醫(yī)療滅菌鍋、高溫消毒柜和培養(yǎng)箱等工作時(shí)需密閉操作空間的情況，采用耐高低溫沖擊的電路系統(tǒng)，研制一種投入式、微功耗、具備防水功能，能在-40～140℃環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間使用的溫度記錄儀。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：該溫度記錄儀測(cè)量精度高、耐溫性強(qiáng)、操作方便，適于食品藥品加工、醫(yī)療衛(wèi)生保障和冷鏈冷藏處理等行業(yè)的測(cè)溫應(yīng)用，具有較好的應(yīng)用前景。

溫度記錄儀；高溫；密閉空間；溫度校準(zhǔn)

0 引 言

醫(yī)療滅菌鍋、高溫消毒柜、培養(yǎng)箱和干熱式烘箱等密閉型溫場(chǎng)設(shè)備，在食品藥品加工、醫(yī)療衛(wèi)生保障和冷鏈冷藏處理等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)；但此類密閉型溫場(chǎng)設(shè)備的溫度檢測(cè)和校準(zhǔn)工作現(xiàn)狀卻不容樂(lè)觀。由于密閉型溫場(chǎng)內(nèi)高低極限溫度測(cè)量范圍較為苛刻，目前國(guó)家計(jì)量檢測(cè)技術(shù)相關(guān)機(jī)構(gòu)基本依靠進(jìn)口溫度記錄儀來(lái)開(kāi)展密閉溫場(chǎng)內(nèi)溫度檢定、校準(zhǔn)工作?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種嵌入溫場(chǎng)型[1-2]溫度記錄儀，該儀器可在-40～140℃環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間使用，能精確、快速地完成密閉型溫場(chǎng)的溫度檢定、校準(zhǔn)任務(wù)。

1 系統(tǒng)概述

本文所設(shè)計(jì)的溫度記錄儀主要由測(cè)溫器、通信器和數(shù)據(jù)處理軟件3部分構(gòu)成。測(cè)溫器為嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀核心部件，以高精度PT100溫度傳感器為溫度探測(cè)單元，結(jié)合MPS430F2619控制器的微功耗技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了寬范圍、高精度、低功耗的測(cè)溫功能。使用時(shí)先用數(shù)據(jù)處理軟件啟動(dòng)測(cè)溫器的測(cè)溫功能，再置測(cè)溫器于密閉型溫場(chǎng)中，待測(cè)量結(jié)束后將其取出并放入通信座對(duì)應(yīng)孔位處，通過(guò)USB數(shù)據(jù)通信接口將測(cè)溫器中的溫度數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理軟件，以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)溫器設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件電路

測(cè)溫器硬件電路如圖1所示，采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F2619作為主控器，結(jié)合LTC3060電源管理芯片以最大限度節(jié)約電量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微功耗功能。因測(cè)溫器需工作于-40～140℃的溫場(chǎng)中，故系統(tǒng)選用能耐高低溫沖擊的高溫電池供電；在處理PT100信號(hào)時(shí)，考慮到高溫對(duì)電子器件造成的溫漂問(wèn)題，設(shè)計(jì)選用能耐高溫的TSV912放大器和ADS1278模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為模擬信號(hào)處理芯片，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大和采集功能[3-4]。LT6930為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘源，主控器所采集到的溫度值將保存于EEPROM存儲(chǔ)模塊中。

2.1.2 軟件流程

測(cè)溫器經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)定和啟動(dòng)后開(kāi)始工作，具體工作過(guò)程如圖2所示。測(cè)溫器開(kāi)始工作后將按照預(yù)設(shè)時(shí)間間隔對(duì)被測(cè)溫場(chǎng)溫度進(jìn)行采集，同時(shí)把所測(cè)溫度保存于測(cè)溫器中，以供工作人員需要時(shí)調(diào)用。為盡可能節(jié)省電池能耗，系統(tǒng)通過(guò)主控器的中斷功能喚醒測(cè)溫器進(jìn)行工作，其余時(shí)間整個(gè)儀器處于休眠狀態(tài)。

圖2 測(cè)溫器軟件流程圖

2.1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)溫器由兩段高溫塑料和三段不銹鋼外殼組裝而成，如圖3所示。圖中，1、3、5所指材料為不銹鋼，2、4所指材料為高溫塑料，各部件之間用螺紋連接，并在結(jié)合部位采用膠圈密封，使測(cè)溫器具有防水功能。測(cè)溫電路板安裝于2、3之間，再用導(dǎo)線將通信信號(hào)線連接于1、3、5所指不銹鋼上，以便測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸[5-6]。

圖3 測(cè)溫器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 通信座設(shè)計(jì)

通信座是測(cè)溫器和數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行通信的橋梁，測(cè)溫器、通信座安裝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。圖中，通信座體由ABS塑料制成[7]，座體上設(shè)有放置測(cè)溫器的座孔，該孔的內(nèi)徑與測(cè)溫器外徑大小相當(dāng)。測(cè)溫器座孔壁上的彈性導(dǎo)體與測(cè)溫器的不銹鋼外壁接觸式連接，此結(jié)構(gòu)可輕松安裝或取出測(cè)溫器，同時(shí)確保彈性導(dǎo)體能夠與測(cè)溫器上的通信電極接觸良好。座體上設(shè)置有通信轉(zhuǎn)換芯片安裝槽。

圖4 測(cè)溫器與通信座安裝結(jié)構(gòu)示意圖

通信座內(nèi)部安裝有電路板，電路板上安裝有通信轉(zhuǎn)換芯片，槽口通過(guò)蓋板蓋封，蓋板上安裝有USB接口。通信轉(zhuǎn)換芯片的輸入端與彈性導(dǎo)體連接，彈性導(dǎo)體與測(cè)溫器的通信電極接觸式連接，通信轉(zhuǎn)換芯片的輸出端連接USB接口，可通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接數(shù)據(jù)分析裝置。

2.3 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

測(cè)溫器經(jīng)過(guò)PC端數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)定和啟動(dòng)后開(kāi)始工作，并通過(guò)該軟件將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有效的溫度值[8-10]。工作前，先將測(cè)溫器安裝在通信座內(nèi)，通信座與計(jì)算機(jī)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接，再通過(guò)計(jì)算機(jī)溫度記錄儀數(shù)據(jù)處理軟件啟動(dòng)測(cè)溫器的測(cè)溫功能；然后，取下測(cè)溫器，將測(cè)溫器放入相應(yīng)的測(cè)溫場(chǎng)所進(jìn)行溫度測(cè)量，測(cè)溫器內(nèi)的微處理器將從模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取PT100阻值信號(hào)并保存于EEPROM中；測(cè)溫結(jié)束后，將測(cè)溫器取出，放置于測(cè)溫器座孔內(nèi)，通信座的鋼珠和彈簧緊壓測(cè)溫器電極形成通信鏈路，然后通過(guò)USB數(shù)據(jù)線接口連接通信座和計(jì)算機(jī)，溫度記錄儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可用查表及插值算法將溫場(chǎng)中的溫度值計(jì)算出來(lái)。此外，根據(jù)需要，可使溫度記錄儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別不同編號(hào)的測(cè)溫器，實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)溫器同時(shí)使用，測(cè)量溫度場(chǎng)的溫度分布情況，計(jì)算機(jī)可用圖形和報(bào)表的方式將測(cè)溫結(jié)果輸出。

3 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀的測(cè)溫性能，選用溫度準(zhǔn)確度為±0.05℃、溫場(chǎng)均勻度為±0.01℃的高精度恒溫油槽和無(wú)水乙醇制冷槽對(duì)記錄儀的測(cè)溫效果進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，本文介紹的嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀在-40～-20℃的測(cè)量誤差在±0.4℃以內(nèi)、-20～20℃的測(cè)量誤差在±0.3℃以內(nèi)、20～140℃測(cè)量誤差在±0.1℃以內(nèi)，記錄儀能在-40～140℃的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間使用，且儀器無(wú)損傷。

表1 溫度記錄儀校準(zhǔn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀，適用于密封環(huán)境，特別是有電磁屏蔽的密封設(shè)備中記錄溫度的變化，如醫(yī)用滅菌鍋、隧道式烘箱、干熱烘箱等，具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、操作方便等特點(diǎn)，尤其在高低溫極限條件下性能良好，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、食品、化工等行業(yè)各種溫場(chǎng)中溫度變化的測(cè)量、記錄和分析。

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Design and realization of embedded type temperature logger

LIAO Xu-hui，ZHENG Yong-ming，XU Heng，WANG Yao-jun
（National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

The embedded type temperature loggerwhich is waterproofand micro-power is designed for detecting temperature of the devices that are operated in a confined space，such as medical sterilization pot，heat sterilization cabinets，incubators，etc.The temperature logger is developed with test circuit system which can bear high and low temperature，and it can work in-40℃ to 140℃ environment for a long time.The results show that the high temperature logger can measure the temperature accurately for a long life，and it is easy to use in broad applications， such as， the food and drug processing， medical and health protection，refrigeration processing，an so on.

temperature logger;high temperature;confined space;temperature calibration

TH811；TP216；TH122；TB35

：A

：1674-5124（2014)06-0071-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.019

2014-04-25；

：2014-06-18

廖旭輝（1984-），男，福建三明市人，工程師，碩士，主要從事醫(yī)學(xué)計(jì)量測(cè)試工作。