温度测量设备单机双单元检定装置研究

郭晓冉，张 军，雷正伟，华 翔，刘 福

(1.中国人民解放军32181部队, 石家庄 050000; 2.河北省电子信息产品监督检验院, 石家庄 050000)

现有的温度检定装置都是针对某种特定的温度传感器进行检定[1-4]，形式上主要有两类：一种是温度检定槽，另一种是温度检定箱。温度检定槽属于液态模拟，用于接触式温度传感器的检定，例如电阻式温度传感器、热电偶温度传感器等；温度检定箱属于气态模拟，用于非接触式温度传感器的检定，主要是通过热辐射、对流传导热量实现温度传感器的检定[5-8]，例如红外测温传感器。由于上述单机专用温度传感器检定装置体积较大，不便携带外出开展检定工作，同时单机专用温度传感器检定装置能耗也较大。

本文研究设计了一种能同时满足不同温度传感器检定使用的单机双单元温度传感器检定装置。通过分析武器装备中配套的常见通用温度类仪表、专用温度仪表及铂电阻类温度传感器的计量保障需求，开发了温度测量设备单机双单元检定装置。该装置具备对装备中常见温度类仪表、专用测温设备及部分铂电阻类温度传感器的计量检定能力，并可通过携行实现机动计量保障、遂行计量保障。

1 计量需求分析

通过对武器装备中温度测量设备的技术指标分析，得出测温设备的主要检定参数。(1)膨胀式温度计及温度传感器测量范围：-40 ℃～100 ℃，最大允许误差：±0.1 ℃。(2)药温传感器测量范围：-40 ℃～50 ℃，概率误差不大于1 ℃。

该温度检定装置作为通用温度测量设备、专用温度测量设备的计量保障装备，能够按照需求产生标准温度，可自动完成对各类温度测量设备及铂电阻温度传感器(测量范围：-40 ℃～100 ℃，最大允许误差：±0.1 ℃)的检定和校准任务，以及专用药温传感器(测量范围：-40 ℃～50 ℃，概率误差不大于1 ℃)的检定和校准任务。该系统可替代传统手动检定，提高检定效率，减少人为误差。主要功能如下：

1)具备对药温传感器等需以气体作为检定介质的专用温度测量设备进行计量检定、校准或测试的能力。

2)具备对玻璃液体温度表、铂电阻温度表等需以液体作为检定介质的通用温度测量设备进行计量检定、校准或测试的能力。

3)具备实时测量并显示温度检定箱运行参数的功能，使操作人员能直观、方便地掌握运行状态；并可通过远程通讯功能，实现与上位机的数据通讯。

4)具备在预定的范围内进行温度自动控制的功能，同时具有压缩机过压、过温的自我保护功能。

2 总体设计

检定装置主要由系统硬件和系统软件组成。硬件主要为温度检定系统提供标准温度场及温度标准器。根据被检温度设备的需求不同，采用不同标准温度场模式，针对通用温度测量设备采用温度检定槽模式，针对药温传感器提供温度检定箱模式。系统软件由控制程序和检定程序组成，能够实时采集与处理数据，实现计量检定的自动化。检定装置可装配于计量检定车上，执行机动计量保障任务。

2.1 系统组成

检定装置组成结构见图1，主要由温度标准器、温度检定环境(包括检定箱和检定槽)、温度调整控制设备、计量状态调整控制器及配套软件组成。

图1 温度检定装置结构框图

检定装置工作原理：将被检温度传感器和温度标准器放置于温度检定环境中，被检传感器与标准器的测量数据经线缆连接，由RS-232串行通信接口传送至计算机，利用检定软件实现检定工作的数据处理、分析与结果输出。在规定的检定点比对二者的示值误差，从而判断被检传感器的测量值是否合格。

2.2 硬件设计

检定装置外形如图2。图2中温度标准器提供用于检定的标准温度值，直接用于与被测温度设备温度值进行比对；检定箱和检定槽为检定提供恒温的温度场环境；温度调整控制系统用于按要求实时调整所需计量点的温度且准确控制在允许误差的范围内；计量状态调整控制器主要完成检定箱与检定槽的控制和切换。

图2 温度检定装置示意图

2.2.1温度标准器

因为温度标准器需分别为特殊传感器(药温传感器)[9-10]和常见温度测量设备提供标准温度值，所以温度标准器选型分为两种：

一种是标准药温传感器，选用的标准药温传感器，概率误差为0.1 ℃；另一种是铂电阻温度标准器，选用数字式铂电阻温度表RCY-2D，具有读数直观、使用方便、准确度高和抗振性能好等优势。

2.2.2温度检定设备

温度检定设备主要作用是提供均匀温度场环境。根据被检药温传感器的构造和功能，不能放在液体恒温槽内，因此温度检定环境选取两种介质：一种是温度检定箱，介质为空气；一种是温度检定槽，介质为水。

1)温度检定箱

在搅拌系统作用下，传热介质(空气)先经盘管蒸发器后再与加热器进行热交换，使导热介质升温或降温，混合空气进入测试室，循环流动，直至导热介质达到设定的温度。温度控制器对导热介质实时进行温度测量，其信号反馈至温度测控系统，温度测控系统控制调温系统，进行适量的加热和制冷，从而使测试室内温度达到设定的恒定温度。

2)温度检定槽

在搅拌器的推动下，传热介质(水)在混合区自上而下流动。先经盘管蒸发器和加热器进行热交换，使工作介质达到设定温度点后，由搅拌器进行强烈搅动，使温度不甚均匀的介质充分混合，并推动介质从底部流出，再导流向上进入工作区。在工作区流动过程中，要求介质尽量减少与外界的热交换，并具有一定的流动速度，这样才能保证工作区介质温度均匀，并为高质量温度控制创造良好条件。此后介质再进入混合区，依次作循环流动。温度控制器的温度传感器置于流体之中，用于测量温度信号，使控温系统根据槽温的变化实时控制加热器工作，自动控制槽温在设定温度范围内，达到一个动态的平衡。

3)温度控制器

为使温度场具备稳定性，需选用温度控制器。采用全进口高精度温度控制器，其内部可以存储10组预设PID参数，在-100 ℃～100 ℃温度范围内，能够根据需要自动选择最合适的PID参数进行控制。根据相关技术指标，其温度控制稳定性气体达到0.1 ℃，液体达到0.01 ℃。

2.2.3温度调整控制系统和计量状态调整控制器

温度调整控制系统主要由调温设备、温度测控设备、数据采集处理设备等组成，如图3所示。

调温设备由制冷器、加热器等组成；温度测控设备由温度控制器、铂电阻、辅助控制电路，控制面板等组成；数据采集处理设备由传感器适配器、数据采集器组成。

计量状态调整控制器由控制电路、冷媒控制器、管路等组成。根据被检传感器所需的工作介质，发出相应的指令给控制电路，控制电路判别槽(箱)体的实时状态，自动切换计量工作室，完成计量任务。其特点是一套制冷机组完成两个槽体的计量工作，提高了整机的使用效率。

图3 温度调整控制系统组成框图

2.3 软件设计

使用Visual Studio软件开发，编程语言为VC++。VC++可进行数据采集及数据处理，能够综合图形化开发平台和标准化平台的优点，开发程序效率较高、可靠性好，界面设计比较灵活，而且比较容易与数据库管理系统链接。

温度检定系统软件的主要功能如图4所示，软件的主流程如图5所示。

图4 温度检定系统软件功能框图

图5 温度检定系统软件主流程框图

主要基于MS com串口组件实现对多串口数据的读写操作，包括：串口状态测试，设备控制命令发送，设备状态查看，检定数据的接收等操作。

针对数据保密性要求，系统提供身份验证和权限管理功能。系统采用一次登录技术(即一次登录，实现所有功能的权限管理)实现对用户权限的认证。采用基于角色的权限分配管理策略。身份验证密码信息以MD5密文的方式存储。

检定参数包括设置检定规程，检定点，稳定时间，以及检定测试人员信息，环境参数输入等内容，采用数据库管理，可以减小检定的重复工作量。

根据不同的检定规程设计不同的数据处理算法，构成算法库实现对检定数据的分析处理与检定结果的判定。

数据记录、证书和报告的输出和打印，是检定工作的重要内容之一，也是数据处理及管理软件的主要功能之一。因数据记录、证书和报告的内容丰富、格式复杂，传统画布式报表工具一方面不够灵活，格式定义功能不能完全满足系统需求，另一方面其操作复杂，代码编写工作量大，调试测试周期长，软件质量也难以保障。

根据数据处理及管理软件报表复杂的需求特点，系统报表开发采用ComponentOne公司提供的第三方报表组件ComponentOne Chart作为图表生成中间件、ComponentOne VSFlexGrid Pro作为数据报表中间件，并为终端用户提供数据报表的生成、展示、打印和文件导出等功能。该方案应融合画布式报表与单元格式报表两种工具的优点，既可以可视化地绑定数据，也可便捷排列，从而提高报表设计的效率。

3 系统不确定度分析与评定

检定装置的测量不确定度是衡量计量检定/校准工作可靠性的重要指标，也是衡量被检温度测量设备溯源结果的主要依据。为保证检定装置对温度传感器测量的准确度，需要对测量不确定度进行评定。

3.1 统测量不确定度分析

主要从设备测量精度、测量环境等方面分析系统不确定度来源：(1)温度标准器最小分辨力引入的不确定度；(2)温度标准器的稳定性引入的不确定度；(3)温度标准器最大允许误差引入的测量不确定度；(4)温度检定设备的均匀性引入的测量不确定度；(5)温度检定设备的分辨力引入的测量不确定度；(6)温度检定设备的允许误差引入的测量不确定度。

3.2 系统测量不确定度评定

3.2.1A类不确定度评定

A类不确定度是指测量重复性引入的不确定度分量，因本检定装置无测量重复性数据，此项忽略。

3.2.2B类不确定度评定

B类不确定度评定主要指由测量标准装置引入的误差。

1)温度标准器最小分辨力引入的标准不确定度ub1

温度标准器的最小分辨力为0.01 ℃，服从均匀分布，由其引入的测量不确定度为：

2)温度标准器稳定性引入的标准不确定度ub2

温度标准器的年稳定性估计为0.003 ℃，服从均匀分布，则由稳定性引入测量不确定度为：

3)温度标准器最大允许误差引入的测量不确定度ub3

标准药温传感器的误差为±0.1 ℃，服从均匀分布，则其引入的测量不确定度为：

铂电阻数字温度表的最大允许误差±0.01 ℃，服从均匀分布，测量不确定度分量为：

4)温度检定设备均匀性引入的测量不确定度ub4

温度检定箱的均匀性为0.1 ℃，服从均匀分布，则其引入的测量不确定度为：

温度检定槽的均匀性为0.003 ℃，服从均匀分布，则其引入的测量不确定度为：

5)温度检定设备的分辨力引入的测量不确定度ub5

温度检定箱的分辨力为0.01 ℃，服从均匀分布，则其引入的测量不确定度为：

温度检定槽的分辨力为0.01 ℃，服从均匀分布，则其引入的测量不确定度为：

6)温度检定设备的允许误差引入的测量不确定度ub6

温度检定箱的允许误差为±0.1 ℃，服从均匀分布，则其引入的测量不确定度为：

温度检定槽的允许误差为±0.01 ℃，服从均匀分布，则其引入的测量不确定度为：

7)合成标准不确定度uc

温度箱检定设备合成不确定度为：

温度槽检定设备合成不确定度为：

8)扩展不确定度U

温度箱检定设备扩展不确定度：

U=kuc1=0.208 ℃ (k=2)

温度槽检定设备扩展不确定度：

U=kuc2=0.024 ℃ (k=2)

因此，该温度检定装置的扩展不确定度不大于被检药温传感器、通用温度测量设备准确度的1/4，满足技术指标的要求，适用于装备温度测量设备的计量检定。

4 结论

本文通过分析武器装备中配套的通用温度测量设备和专用温度测量设备的计量保障需求，设计了一种温度测量设备单机双单元检定装置，通过同一套控制系统控制，可完成检定数据的采集、处理、报表生成；该系统自动化程度高，使用灵活，适合部队野外作业，尤其是部队遂行保障中温度测量设备的计量检定。