基于Android的气相色谱仪温度自动检定系统的设计

杨叶花，黄锋，梁满兵，张力玲，黄建林

（广州计量检测技术研究院，广东广州510030）

0 引言

随着气相色谱仪在化工、生物、食品、科研生产中的广泛使用，许多地方计量部门建立了相应的气相色谱仪检定装置，开展对地方气相色谱仪的计量检定工作。JJG 700-2016《气相色谱仪检定规程》规定了气相色谱仪的柱箱温度稳定性、程序升温重复性的检定方法［1］。目前，气相色谱仪的温度检定大多处于人工检测阶段，采用铂电阻温度计和数字多用表或者色谱检定专用测量仪联用测量温度值，秒表计时，规定的时间后将测量结果记录到原始记录上［2-4］，在给检测机构带来高额的人力成本、管理成本的同时，准确性和规范性也难以保证。

近年来，Android平台在智能家居、医疗、安防系统、金融行业等［5-8］。各行各业都有了非常多的场景应用，但目前在计量检定领域内Android移动终端的使用率还比较少。本文针对JJG 700-2016《气相色谱仪检定规程》，设计了一种可实现Android手机远程显示控制的气相色谱仪温度自动检定系统，旨在减少检定人员的工作量，提升检定准确性和实验室自动化能力，提高工作效率。

1 自动检定系统的设计与实现

自动检定系统选用的标准器是自主研发的一款温度数据采集仪，Android手机作为远程显示控制器，按检定规程进行测试，测试数据通过IIC转USB模块发送至手机端，完成测量结果的自动记录、计算和显示。

1.1 温度数据采集仪的总体结构

温度数据采集仪的结构示意图如图1所示，实物如图2所示。被测铂电阻和采样标准电阻将温度的变化转化成变化的电信号，这两个电信号通过A/D转换模块后由模拟信号转化为数字信号，PC端或手机端通过IIC转USB模块读取数字信号及参数，经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来的温度数值，显示在电脑屏幕或手机屏幕上，以便观察。

图1 温度数据采集仪结构示意图

图2 温度数据采集仪实物图

该温度数据采集仪的外置传感器为A级PT1000铂热电阻，根据IEC的规定，允差指标为±（0.15℃+其中，t为温度，采样标准电阻具有极低的温度漂移特性和优异的长期稳定性。A/D转换器选用MCP3422，可提供18位分辨力、2个输入通道，且集成电压参考、可编程增益放大器和振荡器。采用比较法测量被测铂电阻的阻值，通过两个电压的比对，有效避免A/D模块温度漂移、长期漂移特性及电源波动带来的测量误差。数据存储器用于存储温度数据采集仪的编号、有效期、校准值和铂电阻温度计的分度表系数等信息，这些信息均可通过电脑操作输入、修改、长期贮存。

1.2 Android手机端的应用程序

Android手机端程序采用 Java语言，用 Android Studio开发工具进行编写，主要包括温度检定主界面、稳定性测试、重复性测试3个界面。

1.2.1温度检定主界面

图3、图4分别是温度检定主界面的设计流程图和效果图。打开APP，进入温度检定主界面，首先检查器件是否通信成功。通信失败则提醒：自检失败，请确保温度探头已正常连接；通信成功则提醒：自检成功。

图3 主界面设计流程图

图4 温度检定主界面

系统在自检成功后，获取仪器编号（如20002）和仪器的检定有效期（例如2019-12-20），并判定仪器有效状态，若有效日期呈绿色，则表示仪器当前日期离检定有效期限长于15天；若呈红色，则表示仪器超出检定有效期，提示仪器需暂停检定工作，立即申请计量检定；若呈黄色，则表示当前日期距离检定有效期限少于15天，提示尽快申请下一次计量检定。

之后进入主循环，在程序的主循环中，启动2个定时器，当定时器1溢出时，读取ADC的值，多次采样求平均值，计算被测电阻值；当定时器2溢出时，计算温度值，APP上实时显示当前测得的温度值（例如26.46℃），刷新率为1次/s。单击“稳定性测试”，进入温度稳定性测试界面；单击“重复性测试”，进入温度重复性测试界面。

1.2.2温度稳定性测试

图5是温度稳定性测试界面，可以设置采样间隔和采样总时长，达到完成不同测试任务的目的。单击“开始测试”按钮，系统开始测量，记录每个测试温度点并启动倒计时功能，以便操作人员直观判断本次实验还将持续多长时间。界面实时显示第n个测试温度点的值，根据柱箱温度稳定性检定方法，共记录10个数据，测试任务完成后，根据式（1）计算柱箱温度稳定性Δt1，然后显示测试结果。

式中：tmax为相应点的最大温度，℃；tmin为相应点的最小温度，℃；¯t为相应点的平均温度，℃。

1.2.3温度重复性测试

图6是温度重复性测试界面，与稳定性测试界面一样，亦可设置采样间隔和采样总时长，共有三组测试可选，可选择其中任意两组或三组进行重复性测试，满足不同测试任务的需要。一组测试任务完成后，可启动另一组测试任务。完成2组测试任务后，根据式（2）计算程序升温重复性Δt2。第三组测试任务完成后，重新计算并刷新重复性测试结果。

式中：t′max为相应点的最大温度，℃；t′min为相应点的最小温度，℃；¯t′为相应点的平均温度，℃。

图5 温度稳定性测试界面

图6 温度重复性测试界面

2 温度数据采集仪准确性验证

数据温度采集仪的校准参照国家计量校准规范JJF 1366-2012进行［9］，使用某高精密数字温度计1522A-12、恒温槽RTS-40AB作为标准器，对其进行校准。将恒温槽的温度恒定在各被校温度点，当恒温槽温度恒定30 min后，同时读取精密数字温度计及手机APP的实时显示值，按“标准→被校→被校→标准”的顺序分别读取测量标准和手机APP的实时温度值，进行两个循环的读数。精密数字温度计的测量值经修正为约定真值，手机APP显示值为实验值，测量结果以实验值与约定真值的差表示，即示值误差。校准结果如图7所示，在各校准点，示值误差均小于0.30℃，证明该温度数据采集仪可作为气象色谱仪的标准器使用。

图7 校准结果

3 结论

设计了基于Android技术的气相色谱仪温度自动检定系统，完成了标准器温度数据采集仪的设计和Android手机端应用程序设计及测试工作，并对温度数据采集仪的准确性进行了测试。经过校准，其示值误差小于0.30℃，在测量范围和测量准确度方面，温度数据采集仪完全达到了JJG 700-2016《气相色谱仪检定规程》对铂电阻温度计的技术指标要求；且Android手机端软件能稳定高效地实现气相色谱仪柱箱温度稳定性和程序升温稳定性检定过程中数据的记录和检定结果的计算，减少了检定人员的计算工作量，提高了检定效率和测量准确度，达到了预期的设计效果。