环境试验设备检验自动化

文 | 工业和信息化部电子第五研究所 尚志红 常少丽 中国科学院广州电子技术研究所 郑善锋

环境试验设备检验自动化

文 | 工业和信息化部电子第五研究所 尚志红 常少丽 中国科学院广州电子技术研究所 郑善锋

本文描述了实现环境试验设备检验自动化的方法。根据国家标准、国家计量技术规范规定的检验步骤及方法，研制了环境试验设备检验系统，该检验系统可由用户选择一种国家标准、国家计量技术规范进行检验，自动采集并保存测量点的温湿度数据，按照选定的标准、规范规定的算法自动计算出检验项目的结果，极大地提高了检验工作效率。

环境试验设备；检验自动化；温度测量；湿度测量

1.言

环境试验设备的性能出厂时需要检验，在使用过程中也需要定期检验。检验项目、检验方法在相关的国家标准、国家计量技术规范中有具体的规定[1～4]。需要检验的项目通常有温度偏差、相对湿度偏差、温度均匀度、相对湿度均匀度、温度波动度、相对湿度波动度、温度变化速率、每5min温度平均变化速率、温度过冲量、温度过冲恢复时间、相对湿度过冲量、相对湿度过冲恢复时间、温度指示误差、相对湿度指示误差等。对环境试验设备进行检验，需要先按规定的检验方法及步骤，测量每个测量点的温湿度，再根据国家标准、规范规定的算法，计算出检验项目的结果，评价被检验设备的性能。

目前，市场上可用于温湿度测量的温湿度仪表设备，有一些没有能与计算机连接的功能，即使能与计算机连接，也没有标准、规范规定的算法应用软件的支持。我们研制了环境试验设备检验系统，该检验系统可由用户选择任何一种标准、规范进行检验，设定温湿度测量点数量，设定读取测量点温湿度数据的时间间隔和次数等参数，将各个测量点的温湿度原始测量数据自动保存到数据库，按照选定的标准、规范规定的算法自动计算温（湿）度偏差、温（湿）度均匀度、温（湿）度波动度、温（湿）度过冲量、温（湿）度过冲恢复时间、温（湿）度指示误差、温度变化速率、每5min温度平均变化速率等参数，打印检验记录报表，极大地提高了检验工作效率。

2.据采集器

国家标准、技术规范明确规定了温湿度测量点的数量、传感器的安放位置、读取温湿度测量点数据的时间、条件以及次数 等。GB/T 5170.2-2008，GB/T 5170.5-2008及 JJF 1101-2003都规定：设备容积大于2m3时，温度测量点为15个，相对湿度测量点为4个；容积小于2m3时，温度测量点为9个，相对湿度测量点为3个。GB/T 5170.5-2008在8.1.2.1条关于恒定湿热试验设备检验步骤中规定：“自工作空间进入控温控湿状态后稳定30min（稳定时间最长不超过2h），开始记录各测量点的温湿度值和设备指示的温湿度值，每隔1min记录一次，在30min内共记录30次。”JJF 1101-2003的6.2.5条规定：“将试验设备的温、湿度控制器设定到所要求的标称温、湿度，使设备正常工作。稳定后开始读数，每2min记录所有测试点的温、湿度一次，在30min内共测试15次。”JJF 1101-2003规定要检验的项目只有温度偏差、相对湿度偏差、温度均匀度、相对湿度均匀度、温度波动度、相对湿度波动度。GB/T 5170.5-2008规定要检验的项目较多，除了JJF 1101-2003规定的检验项目之外，还有每5min温度平均变化速率、温度过冲量、温度过冲恢复时间、相对湿度过冲量、相对湿度过冲恢复时间等。GB/T 5170.2-2008是温度试验设备的检验方法，没有相对湿度的检验项目，但是，每5min温度平均变化速率、温度变化速率两个检验项目都必须做。

综上所述，根据需要检验的环境试验设备，选用合适的国家标准、技术规范，从而确定采集温湿度测量点数据的流程（以下简称采集流程），该采集流程规定了采集点、采集条件、采集时间等。

环境试验设备检验系统由数据采集器及配套的软件组成。图1是数据采集器电路原理图。数据采集器有30个通道，最多可测量30个温度点或15个温度点加15个湿度点。采用干湿球法测相对湿度。温度传感器采用Pt100铂电阻。数据采集器通过USB接口与外接计算机连接，它主要包括恒流源电路、通道选择电路、信号放大电路、A/D转换、数据存储区、控制单元、USB接口、扩展接口。

当采集流程确定之后，计算机将采集流程发送到采集器的控制单元，控制单元发出通道选通信号，选通某个通道，让1mA恒定电流流经该通道的铂电阻，铂电阻两端的电压信号经放大后，进行A/D转换，控制单元发送控制信号到A/D转换器，控制启动、停止A/D转换，当A/D转换结束后，数据暂时存放在数据储存区，完成一个通道的温湿度数据采集。控制单元再次发出选通信号，选通下一个通道，重复上述步骤，依次采集每个通道的温湿度数据，直到最后一个通道，完成一轮巡检，在下一轮巡检到来之前，采集器将数据储存区的数据发送给外接计算机，等待下一轮巡检。

采用数据储存区暂时存放采集数据的方法，可克服通讯接口带来的时间延误。每通道的采集时间约为2ms（包括A/D转换时间、通道切换时间），约60ms可采集全部30个通道的温湿度数据。这个时间已经足够短，能满足国家标准、技术规范规定的每隔1min(或2min、5min)记录一次数据的要求。例如，当环境试验设备容积大于2m3时，温度测量点为15个，相对湿度测量点为4个，按GB/T 5170.5-2008的8.1.2.1条检验恒定湿热试验设备，每隔1min记录一次，每次记录19个温湿度测量点数据，数据采集时间约等于38ms，约占1min测量间隔的1/1600。

为减少传感器导线带来的测量误差，采用四线制接法，图2是铂电阻的四线制接法连接示意图。

数据采集器的恒流源可提供约等于1mA恒定电流。为了尽量减少电路漂移带来的测量误差，数据采集器内置一只低温度系数的RX70型精密线绕电阻作为标准电阻，标准电阻精度为±0.05%，其温度系数在±25ppm/℃左右。在一般的温度环境下标准电阻的温度漂移不会影响测量精度。图3是减少因电路漂移导致测量误差的电路原理图。

将Pt100铂电阻置于温度为t的待测量环境中，设铂电阻为Rt ，精密线绕电阻值Rs，恒流源电流I。用MC14051芯片作为模拟开关，通过控制模拟开关的状态，先让恒定电流流经精密线绕电阻，采集精密线绕电阻两端电压信号Us，再让恒定电流流经铂电阻传感器，采集铂电阻两端电压信号Ut。由于切换模拟开关状态所需时间极短（约100us），可以认为电路（包括恒流源电路、放大器电路等）的漂移为零。由欧姆定律得知：

I=Us/Rs

Rt=Ut/I=Ut Rs / Us （1）

由式（1）可知，Rt与恒流源电流I无关，根据Rt值查找Pt100铂电阻分度表换算出待测温度t。

采用干湿球法测相对湿度。干湿两个温度传感器配对使用，根据干湿两个温度传感器测得的温差计算相对湿度。

采集器的扩展接口包括一个RS-232接口和一个USB2.0接口。如果被检验设备的通讯协议及数据格式是开放的，扩展接口可用于连接被检验设备，读取被检验设备状态参数、温湿度指示值等。

3.件功能设计

软件由两部分组成：第一部分固化在采集器，按照采集流程采集温湿度，并把采集到的温湿度数据发送给外接计算机；第二部分是运行在外接计算机Windows操作环境下的应用软件。应用软件主要由检验测量、数据管理、用户管理、查询统计、报表打印、数据分析图表等功能模块组成，如图4所示。

下面主要介绍检验测量功能模块。图5是检验测量过程，步骤如下：（1）输入基本信息。采取省缺加用户自定义方式输入基本信息，省缺的基本信息有检验日期、被检验设备名称及规格型号、被检验设备制造厂及出厂编号、检验员等。用户自定义方式比较灵活，允许用户增加一些认为有用的基本信息，删除一些无用的基本信息。（2）选择标准、规范。常用的有三个：GB/T 5170.2-2008， GB/T 5170.5-2008及 JJF 1101-2003，用户可根据需要选择。有些特殊情况下，用户可能需要采用军标或外国标准，因此，允许用户自定义标准、规范。在用户自定义方式下，软件系统无法自动提供省缺的测量点数量、采集流程，也不能自动计算检验项目的结果。此时，用户必须自定义测量点数量、采集流程，提供计算检验项目结果的算法。（3）选择被检验设备容积。有两个常规选择：大于2m3或小于2m3，另有两个特殊选择：大于50m3或小于0.05m3。（4）选择被检验设备类别。根据步骤2所选的标准、规范，软件系统自动提供省缺的类别。例如，步骤2选择GB/T 5170.5-2008，则省缺的类别有：恒定湿热试验设备、交变湿热试验设备、长霉试验设备。（5）定制测量点数量。容积大于2m3，15个温度点，4个湿度点；容积小于2m3，9个温度点，3个湿度点。当容积大于50m3或小于0.05m3时，用户可自行增加或减少测量点。（6）定义测量点。测量点符号与选用的标准、规范有关。例如，在GB/T 5170.5-2008中，温度测量点用O, A, B, C, D, E, F, G, H, J,K,L,M,N,U表示，相对湿度测量点用Oh,Dh,Hh,Lh表示，如图6所示。用户可选择这些测量点分别对应采集器的某一个通道。（7）读取被检验设备指示的温湿度值有三种方式。第一种方式，如果被检验设备带有智能控温控湿装置，并且用户能掌握智能控温控湿装置的通讯协议及数据格式，可通过采集器的扩展接口读取被检验设备指示的温湿度值；第二种方式，目前，大多数被检验设备带有智能控温控湿装置，并配有运行于外接计算机的实时监控软件系统，但用户可能无法掌握智能控温控湿装置的通讯协议及数据格式，无法通过扩展接口读取被检验设备数据。此时，可通过读取实时监控软件系统数据库的方式来间接地获取被检验设备指示的温湿度值；第三种方式，当前面两种方式都无法实施时，可以人工输入被检验设备指示的温湿度值。（8）确认采集流程。根据用户前面几个步骤的选择，软件系统自动提供符合相关标准、规范的采集流程，由用户确认。采集流程以图表方式表示，它确定了检验测量开始后，经过多长时间，到达什么状态或满足什么条件时采集哪一个测量点数据。（9）当采集流程确认后，系统将按采集流程开始采集数据，直到完成数据采集任务。（10）按照选定的标准、规范规定的算法自动计算出检验项目的结果，打印检验记录报表，描绘温湿度特性曲线。

4.束语

我们研制的环境试验设备检验系统，不但能提高检验工作效率，而且，由于所有的数据采集都是按预先确定的采集流程进行的，比传统的人工读取数据更加客观准确。另外，检验系统具有数据管理、用户管理功能，能帮助用户建立一套严格的管理制度，规定检验员、系统管理员的操作权限，使得检验员无法随意修改检验数据，确保检验数据真实可靠。

[1] JJF 1101-2003 环境试验设备温度、湿度校准规范，国家质量监督检验检疫总局，2003年发布。

[2] GB/T 5170.1-2008 电工电子产品环境试验设备检验方法-总则，国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会，2008年发布。

[3] GB/T 5170.2-2008 电工电子产品环境试验设备检验方法-温度试验设备，国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会，2008年发布。

[4] GB/T 5170.5-2008 电工电子产品环境试验设备检验方法-湿热试验设备，国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会，2008年发布。

Inspection Automation for Environmental Testing Equipment

Automatic inspection for environmental testing equipments is discussed here. According to inspection steps and methods provided in national standards and measuring specifications,we have developed an automatic inspection system for environmental testing equipments. The automatic inspection system allows users to choose one of national standards or measuring specifications to carry out inspection. It can automatically collect and save temperature and humidity of measurement points and calculate out automatically the result of inspection projects according to the algorithm provided in the chosen standards or specifications. The work efficiency of inspection would be highly improved.

environmental testing equipments；inspection automation；temperature measurement；humidity measurement

尚志红（1970-）工程师，从事电子产品可靠性与环境测试研究工作；

常少丽(1979-）工程师，从事可靠性与环境试验以及标准制定工作；

郑善锋（1963-）高工，从事自动控制、计算机硬件接口、网络及软件开发。