顧全/上海交通大學(xué)

0 引言

近年來，隨著各行業(yè)高速發(fā)展，特別是移動端新科技不斷發(fā)展，Web端開發(fā)應(yīng)用的影響越來越廣泛，計(jì)量領(lǐng)域也正面臨新的問題和挑戰(zhàn)。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，通過Web和嵌入式系統(tǒng)來提升計(jì)量校準(zhǔn)業(yè)務(wù)管理水平、規(guī)范業(yè)務(wù)流程、提高工作效率和服務(wù)質(zhì)量是全國各地計(jì)量部門信息化建設(shè)發(fā)展的趨勢。

現(xiàn)今在各行業(yè)使用的計(jì)量器具的用量越來越大，使用頻率越來越高，可是送檢周期長，導(dǎo)致計(jì)量器具一段時間無法使用。有些單位的部分計(jì)量器具長期在線使用，送檢會影響工作進(jìn)度?？蛻魝冊絹碓较Ｍ?jì)量人員能盡量上門完成工作，盡快獲取或網(wǎng)上查詢到證書。然而對于計(jì)量機(jī)構(gòu)來說，計(jì)量檢測受到諸多方面的限制。例如現(xiàn)場檢定、校準(zhǔn)、檢測必須依據(jù)相關(guān)技術(shù)文件規(guī)定的項(xiàng)目和方法，保證流程符合要求；原始記錄的錄入要符合真實(shí)性、信息完整性等要求；還有數(shù)據(jù)處理、結(jié)果評定、出具報(bào)告、核驗(yàn)、批準(zhǔn)等流程，這些都會占用不少時間。有些通用計(jì)量器具例如壓力表、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)等，由于檢定數(shù)量巨大，因此要求檢定周期短、完成流程規(guī)定時間短。這些都給計(jì)量檢測機(jī)構(gòu)帶來了極大的工作量和時間要求的挑戰(zhàn)?；谝陨嫌?jì)量工作的現(xiàn)狀，現(xiàn)場校準(zhǔn)工作迫切的需求有以下幾點(diǎn)：一是按要求進(jìn)行原始數(shù)據(jù)自動采集記錄計(jì)算；二是記錄信息快速全面地實(shí)時保存、計(jì)算和無線傳輸；三是在滿足相關(guān)規(guī)定的前提下，攜帶更輕更少的設(shè)備，以便可以前往現(xiàn)場實(shí)施計(jì)量檢測工作。

為適應(yīng)新形勢下的現(xiàn)場計(jì)量工作的需要，經(jīng)過多年的研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)與完善，建立了一套在上門現(xiàn)場檢測環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)計(jì)量器具的檢測、原始數(shù)據(jù)自動采集記錄計(jì)算、及時通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，實(shí)驗(yàn)室電腦端處理原始記錄及制作報(bào)告的系統(tǒng)。本系統(tǒng)以壓力表校準(zhǔn)為例，依照現(xiàn)有規(guī)程JJG 52-2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程》，基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板，以LAMP+ExcelVBA為框架，實(shí)現(xiàn)上述功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)環(huán)境

本項(xiàng)目需要的開發(fā)環(huán)境和框架為：Linux+Apache+Python+MySQL+ExcelVBA，該平臺類似于Web開放平臺LAMP，擬以Linux作為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板樹莓派運(yùn)行的操作系統(tǒng)，用Python語言設(shè)計(jì)人機(jī)交流的界面和數(shù)據(jù)庫傳輸，使用MySQL作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用ExcelVBA作為辦公室電腦上的開發(fā)語言?？紤]到數(shù)據(jù)的異地存儲，本計(jì)量檢測系統(tǒng)需要鏈接云服務(wù)器，僅有本地存儲容易在硬件被破壞后損失數(shù)據(jù)，同時考慮到客戶自建服務(wù)器和內(nèi)網(wǎng)及配套的成本，云服務(wù)器選擇的是新浪云SAE。ExcelVBA是Excel支持的編程語言,最大的作用是可以寫一段簡單的代碼來操作Excel中的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室電腦端生成證書。

1.2 系統(tǒng)的硬件組成

本系統(tǒng)由7部分組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1，分別有：

1）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板（Raspberry）。系統(tǒng)核心部件，Python語言編程實(shí)現(xiàn)原始記錄信息輸入窗口、部分?jǐn)?shù)據(jù)自動采集和計(jì)算數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。

2）壓力變送器標(biāo)準(zhǔn)器。計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，用以傳輸標(biāo)準(zhǔn)壓力值的電壓模擬量。

3）溫濕度傳感器。提供環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。

4）ADC模塊。將壓力變送器標(biāo)準(zhǔn)器輸出的電壓模擬量轉(zhuǎn)換成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板能夠讀取的數(shù)字信號。

5）便攜式移動端（手機(jī)）或平板電腦。以手機(jī)熱點(diǎn)連接，遠(yuǎn)程登錄操控嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板，用無線移動手機(jī)網(wǎng)絡(luò)上傳原始記錄。

6）云服務(wù)商提供的數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器。接收并儲存手機(jī)上傳的原始記錄數(shù)據(jù)，傳輸給PC電腦。

7）PC電腦。位于實(shí)驗(yàn)室的PC電腦，通過ExcelVBA連接數(shù)據(jù)庫查詢、處理數(shù)據(jù)并出具報(bào)告。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

1.3 硬件電路

ADS1115模塊以i2c模式連接樹莓派，其scl、sda針腳需與樹莓派相應(yīng)的scl、sda針腳相連；ADS115和溫濕度傳感器的VCC端與樹莓派5 VDC供電針腳相連；壓力變送器vcc端與24 VDC供電電源連接；四件的接地端都用黑線表示，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)各部件連接示意圖

1.4 系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)搭建分為6個步驟：

1）使用樹莓派LX終端，安裝相應(yīng)編程工具和升級部件。

2）使用python2（IDLE）編程實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的獲取。

3）編程實(shí)現(xiàn)adc模塊ads1115的電壓數(shù)值的獲取，編程實(shí)現(xiàn)錄入原始記錄界面。

4）數(shù)據(jù)上傳與云端接收。

5）新浪云配置數(shù)據(jù)庫MySQL。

6）實(shí)驗(yàn)室PC電腦端ExcelVBA設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)訪問新浪云數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，并形成證書。

2 檢測流程

該流程是整個項(xiàng)目運(yùn)行的關(guān)鍵。校準(zhǔn)人員登錄系統(tǒng)，依據(jù)界面提示填入相關(guān)委托單位、器具、日期、地址等信息。然后連接相應(yīng)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)器和被檢變送器，點(diǎn)擊取值鍵刷新溫濕度傳感器并記錄溫濕度值。使用氣體壓力校驗(yàn)臺校準(zhǔn)壓力表。在通電預(yù)熱15 min后，從下限開始平穩(wěn)地打壓，觀察壓力表上的示值直到校準(zhǔn)點(diǎn)，然后點(diǎn)擊界面相應(yīng)取值點(diǎn)取值。在取值界面上讀取示值并填入界面相應(yīng)輸入框后，重復(fù)上面的步驟直至上限，然后反方向平穩(wěn)改變壓力，讀取并記錄輸出值直至下限，這為一次循環(huán)。然后點(diǎn)擊保存，系統(tǒng)會自動上傳數(shù)據(jù)至云服務(wù)器。流程如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、不確定度評定

3.1 標(biāo)準(zhǔn)器壓力示值測試

本系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)器壓力變送器的壓力示值測試方法參考JJG 882-2015《壓力變送器檢定規(guī)程》，被測壓力變送器的標(biāo)準(zhǔn)器和被檢變送器為達(dá)到熱平衡，需在參考條件下放至2 h。用準(zhǔn)確的等級為0.05級的數(shù)字壓力表作為測試壓力變送器的標(biāo)準(zhǔn)器。測量后示值如表1所示。

圖3 使用系統(tǒng)的壓力表檢測流程

表1 測量數(shù)據(jù)

測試要求為示值誤差不超過壓力變送器的準(zhǔn)確度等級0.25級決定的最大允許誤差（±0.25%乘以全量程），即為

MPEV=±0.25%×1.6 MPa=±0.004 MPa

由于示值誤差小于MPEV，所得的示值符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 系統(tǒng)測量壓力表的不確定度評定

依據(jù) JJG 52-2013 和 GB/T 27418-2017《測量不確定度判定和表示》，在符合規(guī)程要求的環(huán)境條件下選擇 0 ～ 1.6 MPa，準(zhǔn)確度等級為 2.5 級的壓力表作為實(shí)驗(yàn)對象，和0.25級作為標(biāo)準(zhǔn)器的壓力變送器安裝在校驗(yàn)器上，以氣體為傳壓介質(zhì)，直接比較法測量。通過加壓泵加壓，使壓力表示值升至校準(zhǔn)點(diǎn)，讀取界面上示值和標(biāo)準(zhǔn)器示值，兩示值之差即為壓力表的示值誤差。

測量模型：

Δp=p-ps

式中：Δp——壓力表壓力值與標(biāo)準(zhǔn)器壓力值的差值；

p——壓力表的壓力值；ps——標(biāo)準(zhǔn)器的壓力值

標(biāo)準(zhǔn)不確定度的來源：

（1）標(biāo)準(zhǔn)器誤差引起的不確定度。

（2）壓力表示值重復(fù)性引入的不確定度。

（3）環(huán)境溫度引起的不確定度。由于符合規(guī)程要求，可以忽略。

對壓力表進(jìn)行多次重復(fù)測量引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(p)主要來源于壓力表的壓力值的不確定度，可以通過連續(xù)測量得到測量列，采用A類方法進(jìn)行評定。選擇樣品表單次標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差最大的校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行分析得：

標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

u(p)=s(p)=0.005 16 MPa

標(biāo)準(zhǔn)器差值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ps)：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)器的等級及量程得到標(biāo)準(zhǔn)器的最大允許誤差為±0.004 MPa，此值作為區(qū)間半寬a=0.004 MPa，認(rèn)為在區(qū)間內(nèi)是均勻分布的，取包含因子k=，標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ps)為

u(ps) == 0.002 31 MPa

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(Δp)：

求靈敏系數(shù)：

對 Δp=p-ps式進(jìn)行微分

得靈敏系數(shù)：

輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總?cè)绫?所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表

因?yàn)閡(p)與u(ps)彼此獨(dú)立不相關(guān)，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按下式得到：

壓力表示值的擴(kuò)展不確定度：U= 0.011 MPa（k= 2）。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)是為適應(yīng)新形勢下的計(jì)量檢測的需要，建立了一個計(jì)量信息采集自動化、數(shù)據(jù)信息資源化、證書報(bào)告?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)化的平臺。凡是以電學(xué)量輸出的傳感器為標(biāo)準(zhǔn)器的計(jì)量檢測，都可以應(yīng)用該項(xiàng)目的方法，實(shí)現(xiàn)大多數(shù)計(jì)量檢測能使用手機(jī)或平板電腦做直接記錄檢測過程。