基于LabVIEW的环境试验设备温湿度实时监测校准系统

金 鑫/ 上海市浦东新区计量质量检测所

0 引言

环境试验设备[1]主要包括干燥箱、老化箱、生化培养箱、恒温恒湿培养箱、高低温湿热试验箱等，是生产企业、科研院所常用的设备，主要是对产品进行可靠性试验，借以发现产品设计和生产中存在的缺陷以及是否符合有关标准的技术要求或产品规范的要求。为达到这样的目的，首要条件就是试验设备本身的各项技术指标应符合试验条件和规定的技术要求，这样才能保证产品试验的真实性和数据的可靠性。根据我国计量法规的规定，要求定期对环境试验设备进行校准。然而，校准工作非常费时，且工作量很大，需要在环境试验设备的多个不同的温度、湿度设定点下，对试验箱内空间多个点的温度、湿度进行重复多次的测量。

虽然现今市场上有不少温湿度巡检仪或自动测试系统之类的温湿度测量仪表，由于不是特制设备，大多存在一些问题，不能很好满足温湿度环境试验箱的校准工作需求。这些产品普遍存在的问题有：布线不方便；温、湿度传感器使用温度范围较窄；全套系统配备价格昂贵；没有全面考虑试验箱校准工作中，影响准确测量的各种因素；数据处理烦琐复杂，工作效率低。

计量技术机构普遍采用的校准方法为将标准铂电阻放在环境试验设备中，通过数字多用电表读出此时标准铂电阻的电阻值，然后通过该标准铂电阻的电阻-温度对照表和湿度查算表来查找电阻值对应的温度和湿度，根据测量结果确定温湿度环境试验箱的工作状况。从整个校准过程可以看到，用这种方法校准温湿度试验设备非常费时，且数据处理麻烦，工作效率极低。

Fluke 公司的Hydra 系列数据采集器是新一代的温度便携式测量设备，可以有效地提高工作效率。

计量技术机构对于被测结果不仅仅包含数据，还要求详细的被测对象信息，包括生产厂家、型号、编号、委托对象、检测用设备本身信息等，而FLUKE 公司提供的软件并不适用。NI 公司推出的LabVIEW 是虚拟仪器领域中领先的测试测量和控制系统开发工具,是目前最流行、应用最广、发展最快和功能最强的图形化软件。所以本文着重介绍了以T 型热电偶及干湿球法测量温湿度，以FLUKE 2635A 数据采集器采集数据为例，基于LabVIEW 平台对数据采集器程序的二次开发，该系统甚至能对设备的温湿度偏差、均匀度、波动度[2]等进行计算，最终生成完整的原始记录。

1 软件设计

根据软件的基本设计思想，系统采用模块化设计。根据软件功能要求和技术指标，遵循自上而下，由大到小，由粗到细的思想，按照软件的功能层次，把软件分成若干个功能模块，分别进行设计和调试，然后把它们连接起来，进行总调（如图1所示）。

图1 功能模块框图

主要控制模块：整个软件系统的主程序，用户通过鼠标或键盘发出指令后，主要控制模块通过统一调度各功能模块实现用户意图，并利用LabVIEW的虚拟仪器前面板设计风格，为用户提供一个操作简单、清楚的人机交互界面。

数据采集模块：软件通过这一模块，利用COM端口，发出指令给FLUKE 2635A 数据采集器，进行数据采集，并将采集到的数据进行适当的处理。

数据显示模块：将处理过的数据，在人机交互界面上显示，以方便校准人员观察数据的变化。

自动、手动校准模块：按JJF 1101—2003 校准规范的数据处理要求，通过合理的设置，将最后数据进行计算处理。

报告生成模块：最终模块，它将所有经过采集、计算处理的数据，通过excel 模板保存起来，作为此次校准的原始记录报告。

1.1 数据采集模块

LabVIEW 为用户硬件提供了许多在仪器驱动程序的开发中使用的子程序，可以直接使用由NI 公司开发的仪器驱动程序，而不必从头开发，很多驱动都可以从NI 公司网站上下载。

FLUKE 2635A 数据采集器按用户手册对RS232串口通信参数进行配置，同时可以查询到很多RS232 指令，LabVIEW 通过这些查询指令很方便地获得各个通道的测量值。数据采集模块流程见图2。

图2 数据采集模块流程图

1.2 数据显示模块

显示模块在前界面显示温湿度点的数值并能指示各个温度测量点与中心温度点之间的变化和实时显示测量数据的图形化。

本文采用干湿球法测量湿度，湿度的转换是通过Goff-Grattch 公式计算所得。利用LabVIEW的“公式节点”可将干球湿球测得的温度转换成相对湿度，流程见图3。

图3 相对湿度的转换流程图

各温度测量点与中心温度点之间的变化情况：当各个温度测量点比中心温度点温度低时显示蓝色，高时显示红色，相等时显示绿色。由于LabVIEW 里的布尔控件指示灯只有两种状态，所以需要用布尔控件的颜色属性节点和引用句柄，来创建一个三态指示灯子程序。创建的三态指示灯子程序，要通过另外一个子程序创建的指示灯bool 引用才能正常运行。

实时测量数据的图形化显示，在实时校准时，有选择地显示多个通道曲线或者波形，可以是一条，多条或者是全部。有多种方法实现：一、利用波形控件的属性节点，隐藏不需要显示的部分曲线，此方法程序运行时比较缓慢，不推荐；二、通过控制波形数组元素数量，来控制显示波形的数量，该方法在改变曲线数量时，曲线的次序、线形、颜色也会随之改变，可利用空数组的方法来实现，这就是第三种方法；三、利用二的方法再结合空数组实现波形的选择。但上述几种方法程序框图复杂，这里可以利用LabVIEW 里的Express VI“选择信号”和“转换至动态数据”函数来实现波形的选择。

数据显示模块通过数据采集模块的采集，将数据显示在主界面上，使计量校准员能实时查看数据变化情况。流程图见图4。

图4 数据显示模块流程图

1.3 自动、手动校准模块

主要实现的功能是按JJF 1011-2003 校准项目的要求，对环境试验设备温湿度偏差、温湿度均匀度、温湿度波动度等测量数据进行处理。

1.3.1 手动校准模块

环境试验设备校准方法要求在稳定的状态下，30 min 内（每2 min 测试一次）对所测得的数据进行计算，求出各值。所以，通过记录控制按钮，每隔2 min 扫描一次数据，连续采集15 次。同时为了便于观察扫描，设计模块能显示已扫描的次数和距下一次扫描的时间间隔。可用LabVIEW 中的“已用时间”函数，该子程序是一个非常有用的定时子程序，不仅可作定时功能，还可用作倒计时功能。手动校准模块流程见图5。

图5 手动校准模块流程图

注意：由于数据显示模块和自动、手动校准模块都是通过2 个while 循环并行运行的，故在数据采集模块后加一个中间常量，同时在手动校准模块程序框图中用局部变量来引用。

1.3.2 自动校准模块

自动校准模块是在手动校准模块的基础上，加一个温度稳定平衡时间功能。由于环境试验设备在达到设定温湿度时，都需要一段时间来稳定，即使对运行稳定的试验箱来说，打开箱子进行测试点布置后，仍需要一段时间的稳定。由于现场测试任务的繁重，此模块的设计充分利用了这一段等待平衡的时间，在布好测试点、设置平衡时间后，就可以进行其他的测试任务。

模块的设计同手动校准模块一样，也是使用“已用时间”函数，实现方法与手动校准模块类似。自动校准模块流程见图6。

图6 自动校准模块流程图

1.4 报告生成模块

Office 软件是目前比较流行的数据记录和报告生成办公软件，其中最常用的是Word 文档处理软件和Excel 表格处理软件，而LabVIEW 报告生成工具包(Report Generation Toolkit)是用于生成Word 和Excel文档的工具包。

本模块采用的是工具包中的MS Office Report Express 子程序，利用Excel 或Word 模板创建报表，因为计量校准报告都有规范化的要求，有固定的内容和形式，所以采用MS Office Report Express 子程序是比较方便的。

由于有些委托单位对最终的结果需要温湿度曲线波形，所以在生成报告的同时，根据最终采集的15 次或更多的数据，生成每个测试点的图形报表，供委托单位使用。完整的报告生成流程见图7。

图7 报告生成模块流程图

1.5 系统集成

通过以上几个功能模块的设计，进行整合调试，最终完成的环境试验设备校准系统主界面见图8。

图8 环境试验设备校准系统主界面

2 结语

本文校准系统的使用符合现场校准习惯，方便解决现场校准遇到的问题，使客户能及时进行调整，满足客户长期在线检测的要求，同时提高环境试验设备性能评价的准确性，且极大地提高工作效率，降低校准人员的工作强度，从根本上避免了原始数据计算中的人为误差。

通过学习图形化编程语言LabVIEW，解决了由于手动操作对检测结果的影响，尤其像热学、电磁一类的检测，此系统的开发，符合向校准自动化方向发展的要求。

[1]杨修杰.多通道智能温湿度巡检仪的设计与实现[D].成都理工大学，2009.

[2]全国温度计量技术委员会.JJF 1101-2003[S].北京：中国计量出版社，2003.

[3]寿文杰.基于Hydra系列数据采集器自动检测系统的研究[J].广西质量监督导报，2009(07)：49-50+52.

[4]陈树学，刘萱.Labview宝典[M].北京：电子工业出版社，2011.

[5]陆强，戴文.基于LabVIEW的环境试验设备温湿度检定系统[J].电子测量技术，2007(07)：64-66+90.