浅析温度二次仪表自动化校准系统

武光强

（泽州县综合检验检测中心， 山西 晋城 048000）

引言

温度二次仪表是一种工业温度计量检测工具，在检测过程中能实现参数变化可视化，因此在多个行业中都有较为深入的应用。温度二次仪表的质量对于测温、控制等影响极大，如果测量数据不准确，产生较大的误差，会造成大量的不合格产品。因此，优化温度二次仪表自动化校准系统，并结合现代信息技术，全面提升计量效率，是当前计量校准行业亟待解决的问题之一。

1 我国温度二次仪表计量校准发展现状

从20世纪90年代开始，我国对于温度二次仪表就已经开始进行比较深入的研究，并取得了较大的成效[1]。但是仍一些问题需要解决，主要体现在以下几个方面：1）校准化程度较低。随着科学技术的发展与进步，自动化校准程度已经得到了大幅提升，但是仍无法完全脱离人工操作。目前，大部分的校准操作仍以手工操作为主。手动校准异常繁琐，操作环节较多。首先需要电阻箱与电位差产生的信号标准源，接着模拟传感器电信号，开始手动调整，采用排查的形式对电量值进行识别，详细记录数据，校准的时间成本大大增加；2）由于大部分工作均是人工操作，在校准的过程中会有很多的影响因素，比如监管者干扰、精度达不到要求等，导致较大的校准误差。

当前，二次仪表的应用越来越广泛，特别是在工业生产中的应用频率较高，温度校准的精确性也大大提升。为了让数字温度计充分融合现代信息技术，国内外研究者对此进行了深度的探讨，初步实现了半自动化校准系统的构建，当然离全自动化校准还有一定的差距。总之，虽然目前测量校准以手动为主，但是已与现代信息技术有一定程度的融合，可以利用计算机对所收集到的数据进行整理、分析，提升了校准的自动化程度。由于现有的自动化校准系统对原始数据的处理容量有限，容量较大时，则很难进行有效分析，校准系统的性能还需不断提升。

2 温度二次仪表自动化校准系统探究

2.1 设计方案

设计方案是进行系统设计的指导方针，只有严格按照方案执行，才能保证系统设计的效果，因此在方案设计之前，需要从以下几个方面进行考虑[2-3]：

1）整体性，要考虑系统的总体设计。要对相关问题进行总体规划和考虑后，才能确定开发设计、整体实施的方案。在实施过程中，整个综合系统必须根据不同的功能划分为几个相对独立的子系统，按功能模块分别设计，又相互关联，最终形成一个完整统一的系统。

2）可靠性，即系统各模块在设计负载下完成规定功能的能力。主要体现在系统的软硬件上，如摄像机通信是否在正常工作条件下调节，保证数据处理的准确性等。对软硬件进行全面检查，并在设计过程中尽量避免无关因素的干扰，降低返工率，有效提升工作效率和设计质量。

3）可操作性。系统设计应确保操作简单方便，实现人机友好互动，方便操作人员高效使用。可操作性是系统设计最为关键的环节之一，只有具有极强的可操作性，操作人员在实际计量的过程中，才能充分的发挥出信息技术的价值和优势，辅助自身来提升计量效率。

4）可扩展性。当系统功能需要改进或扩展时，可更换或添加设备，以进一步改进设备功能。

5）经济性。在保证系统性能的前提下，尽量选择价格相对较低的摄像机，以降低成本投资。

2.2 硬件设计

本文所进行的温度二次仪表自动化校准系统硬件部分设计主要涉及了两个部分，即摄像头组件和标准器。

2.2.1 摄像头组件

摄像头组件是实现温度计量过程可视化的重要部分，摄像头主要分为工业摄像头和普通摄像头两大类。虽然工业摄像头具有适应复杂环境、高稳定性等特征，但其价格昂贵、成本较高，且对光源有严格的要求，因此不适合本文研究的实际情况。本研究只需要对LED 显示部分进行拍摄，普通摄像头的功能完全可以满足，只要选择一款具有自动对焦功能的普通摄像头即可。结合本文的实际研究情况，特选用了罗技C920 摄像头，虽然价格低廉，但是功能较强，具有5 000 万像素，并且有自动对焦功能，可用USB2.0 进行数据输入。此外，这款摄像头对于光源的要求不高，由于LED 显示屏具有自发光功能，因此可以十分清晰地拍摄到LED 显示屏上的数值。

2.2.2 标准器

标准器在本系统设计中也起着重要的作用，主要功能为稳定地提供标准电量值，并输入到二次仪表内。当然为了实现持续稳定地提供电量值输入，需要结合本研究的实际情况来进行有效选择。本研究所使用的标准源主要是WAVTEK 公司生产的4808型多功能标准源，其质量大概为20 kg，通讯端口为GPIB，准确度为0.08 ℃，由于其功能稳定且符合本研究实际情况，因此将其与FLUKE 公司生产的525 A 型热工校验仪配合一起使用。在选定标准器之外，还需进行补偿导线的选择，补偿导线主要作用就是避免大量误差的产生，这种误差主要是由于计量装置与热电偶连接处的温度变化所引起。本文所使用的补偿导线主要是精密级补偿导线，类型有K 型、T型、E 型三种。

在选定标准器与补偿导线之后，开始对标准器进行测试。测试遵循三个步骤：

1）确定二次仪表的类型。本文选用热电偶类型的二次仪表，检定、校准需要使用WAVTEK 4808 多功能标准源，热电阻类型二次仪表需要使用FLUKE 525 A 热工校验仪。

2）将设备与二次仪表进行连线处理。在此环节需要用到冰瓶，将补偿导线的一端与二次仪表连接，然后另一端与冰瓶相连，再接上铜导线，从而实现零度补偿。热电阻类型二次仪表直接将二次仪表接线端子和525 A 热工校验仪直接用聚四氟己烯敷银导线相连接。

3）计算机和标准器进行通讯，控制标准器输出相应的标准值，执行输出和待机等相关指令。

2.3 软件设计

2.3.1 视觉软件

视觉软件的设计异常重要，这部分的功能需要通过摄像头组件实现。视觉软件设计结构如图1 所示：构建一个控制机构系统，对图像的输入输出进行控制，控制机构由计算机进行调控。由于本设计中没有图像采集卡，摄像机对待测目标的图像抓捕直接由计算机输出到控制机构，LED 显示屏拥有自带光源，因此无需其他光源进行照明。

视觉软件对整个摄像头组件进行控制，由于待测目标成像的影响因素较多，因此需要进一步进行中值滤波功能的设置，以增强摄像头预处理的功能。这种滤波功能可以有效避免无关因素的干扰，增强图像的清晰度。当然，也可以利用增强图像边缘区域的对比度，让其边缘更加清晰，同样也能起到增强图像清晰度的目的。

2.3.2 数据处理

在数据处理部分主要涉及到基本示值误差计算以及合格结果判定两个方面，针对误差计算，有一个明确的计算公式：

式中：td为仪表显示温度值；ts为标准器输入电量值对应的被测温度值；e 为具有参考温度自动补偿的仪表。

将测量到的数据带入公式（1）计算可得到精确的误差值，从而实现自动检测和校准。

针对合格结果判定，要分为三种情况，并用对应的误差计算公式来确定是否合格，三个公式表述如下：

每个公式所适用的范围不同，式（2）主要用于含有准确度等级的时候，其中FS为测量范围上下限的差值，a 为准确度等级。式（3）主要用于与仪表量程及分辨率有关的时候，其中b 为分辨力。式（4）主要用于允许温度误差值的时候，其中N 表示允许的温度误差值。

根据不同使用条件来选定公式来计算误差值，再判定合格与否。

2.3.3 数据库

数据库设计主要实现两个功能，一是条目插入功能，二是条目搜索功能。条目插入功能所包含的文本类型主要有7 个，分别是证书编号、送检单位、设备名称及编号、校准日期、结论、检定员、收费等。需要在LabVIEW 中建立一个7 个字符串型、一个DBI数字型的簇以及一个含有8 个字符串元素的数组，数组元素依次为8 个字段的名称，然后将此数组与Columns 接线端进行有效连接。条目搜索功能，与上述插入功能进行对应，可以利用7 个文本类型来搜索，并进行内容定位，当然也可以联合其他项目共同搜索。当操作员不做任何选定时，计算机会显示数据库中的所有证书信息，并对项目总数以及收费总数进行整理显示。条目搜索功能采用的是SQL 语言的select 语句。

3 结语

温度二次仪表自动化校准系统尚未成熟，相比国外先进的技术，存在着较大的差距。随着科学技术的发展，很多元器件的性能得到了极大的改善，为自动化校准系统的发展提供了更加可靠的硬件配置。完善系统设计还需充分借鉴国外优秀经验，进一步结合本土特色来进行有效的创新。