基于LabVIEW的數(shù)字式氣壓計自動檢定系統(tǒng)

白 婷13

(1.中國氣象局 河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，鄭州 450003；2.河南省氣象探測數(shù)據(jù)中心，鄭州 450003; 3.河南省人工影響天氣中心，鄭州 450003)

0 引言

河南省目前已裝備了121套國家自動氣象站與2 900多套區(qū)域自動氣象站，且將繼續(xù)建設(shè)自動氣象站，進一步增加氣象環(huán)境的探測密度。氣壓是地面氣象觀測中的重要觀測要素，為保證氣壓觀測數(shù)據(jù)的準確性，必須對自動氣象站的數(shù)字氣壓計進行周期性檢定[1]。河南省裝備的數(shù)字氣壓計主要為PTB210和PTB220，由于氣壓計數(shù)量多，省級氣象檢定所的工作任務(wù)十分繁重，人工檢定及校準的方式已不能滿足氣象現(xiàn)代化工作的需要，迫切需要一套自動氣壓計檢定系統(tǒng)，提高檢定效率和準確性，減輕檢定人員的工作強度。

有關(guān)PTB220的檢定及修正方法研究已經(jīng)較為全面，PTB210的相關(guān)研究相對較少。胡帆、陳正一介紹了PTB220數(shù)字氣壓計的工作原理、設(shè)置以及操作命令和修正方法[2]；孫嫣等對PTB220的多點修正方法進行了補充研究，提出檢定結(jié)果修正值與初始修正值疊加的方法，使調(diào)整后的氣壓計與標準值更加接近零誤差[3]；孟憲羅等采用C#語言開發(fā)了一套基于串口通信的PTB220氣壓計誤差自動調(diào)整系統(tǒng)，利用3MS系統(tǒng)的檢定結(jié)果，實現(xiàn)了對PTB220氣壓計的自動調(diào)整[4]；羅淇等對檢定過程中氣壓標準器附加誤差的產(chǎn)生原因、特征和規(guī)律進行了研究，并給出了相應(yīng)消除或訂正方法，有效降低了標準器附加誤差對檢定結(jié)果造成的影響[5-6]；黃玲等探討了氣象上靜態(tài)壓力傳感器非線性修正的常用方法，對最小二乘法和線性插值法的線性誤差進行了比較，證明調(diào)整PTB210時采用線性插值法更加有效[7]。

本文基于LabVIEW開發(fā)了一套氣壓計自動檢定校準系統(tǒng)，兼容PTB210和PTB220系列氣壓計，實現(xiàn)了信息讀取、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫寫入、證書生成等檢定過程的自動化控制，系統(tǒng)在檢定結(jié)束后可自動判斷氣壓計是否氣壓超差并快速實現(xiàn)氣壓計調(diào)整，在減少人為錯誤的發(fā)生的同時，提高檢定工作的效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由計算機、多串口擴展卡、CPC6000型精密壓力控制器(以下簡稱氣壓發(fā)生器)、745-16B型高精度實驗室標準表(以下簡稱標準表)、氣壓計(PTB220或PTB210，以下簡稱被檢表)、連接器、12 V開關(guān)電源、氣路等組成，主要硬件設(shè)備性能如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要硬件設(shè)備情況

1.2 工作原理

系統(tǒng)原理圖如圖1所示，計算機利用多串口擴展卡與各儀器設(shè)備進行串口通信，使用三通連接氣壓發(fā)發(fā)生器、標準表、被檢表，并使其壓力檢測口保持在同一水平面。

圖1 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)采用比較法進行檢定，壓力檢定點為：500、600、700、800、900、950、1 000、1 100 hPa。檢定從500 hPa開始，上位機程序控制氣壓發(fā)生器達到預(yù)定壓力值并穩(wěn)定3 min后進行數(shù)據(jù)采集，每隔10秒采集1次被檢表和標準表的示值，每個壓力點上采集3次,將 3次示值的算術(shù)平均值作為該檢定點的記錄結(jié)果，按以上的檢定點順序逐點進行兩次壓力循環(huán)后檢定結(jié)束。

1.3 被檢表連接器

PTB220氣壓計的通信接口形式和PTB210不同，如圖2所示。以往檢定或校準PTB220、PTB210時需要分別使用專用線纜，為檢定工作造成一定不便。

圖2 PTB210與PTB220通信接口示意圖

為減少系統(tǒng)所用線纜數(shù)量，實現(xiàn)被檢表的快速更換，進而減輕檢定人員工作強度，設(shè)計了一個通用快速連接器，使其既能連接PTB220，也能連接PTB210，其電路原理圖如圖3所示。

圖3 連接器電路原理圖

連接器實物如圖4所示，電源開關(guān)按鈕可控制被檢表電源通斷，上部的DB9接口連接至計算機，下部的DB9接口連接PTB220氣壓計，中部的免螺絲接線端子連接PTB210氣壓計。

圖4 連接器實物圖

1.4 設(shè)備串口命令

上位機程序通過發(fā)送串口命令完成氣壓發(fā)生器控制點設(shè)置、標準表和被檢表示值讀取等操作。根據(jù)所用儀器設(shè)備的用戶手冊[8-11]，本系統(tǒng)所用到的串口命令如表2所示。

表2 系統(tǒng)常用串口命令

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

LabVIEW既具有傳統(tǒng)儀器的特征，又有一般儀器不具備的特殊功能，特別適合于經(jīng)常需要改變儀器和設(shè)備參數(shù)、功能的場合。本系統(tǒng)包含多個測量儀器，對測量數(shù)據(jù)的人機交互界面要求較高，且需經(jīng)常對設(shè)備參數(shù)進行修改，因此非常適合采用LabVIEW編寫檢定程序。

2.1 總體結(jié)構(gòu)

軟件的編程方法一般可分為面向過程和面向?qū)ο?。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)檢定、校準及生成報表等流程的自動化控制，所用設(shè)備相對較少且功能較為專一，是典型的面向過程的軟件設(shè)計。本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示，按功能不同，可將程序分為6個模塊。

圖5 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

1)初始化模塊，實現(xiàn)程序各狀態(tài)變量的初始化。

2)參數(shù)配置模塊，主要實現(xiàn)軟件參數(shù)配置和檢定基本信息配置，軟件參數(shù)配置主要包括儀器設(shè)備串口配置、報表存儲路徑設(shè)置等；檢定基本信息配置主要包括氣壓檢定點、環(huán)境條件以及氣壓發(fā)生器、標準表和被檢表的基本設(shè)備信息等。

3)檢定模塊，主要實現(xiàn)對壓力控制器、標準表和被檢表的控制，包括串口命令合成、檢定點設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析以及壓力判穩(wěn)等。

4)校準模塊，主要實現(xiàn)對PTB210和PTB220多點修正值的重新設(shè)置。

5)報表生成模塊，主要實現(xiàn)將檢定的結(jié)果和數(shù)據(jù)記錄寫入word證書文件中，借助LabVIEW報表工具插件，利用書簽定位實現(xiàn)環(huán)境條件等檢定基本信息的插入，word中的檢定記錄表格則通過行列定位單元格，在雙重for循環(huán)中調(diào)用WordEditCell.vi將數(shù)據(jù)記錄寫入。

2.2 主程序

程序主界面如圖6所示，左側(cè)從上至下依次顯示氣壓發(fā)生器、標準表、被檢表的壓力曲線，右側(cè)為控制按鈕及運行狀態(tài)監(jiān)控。為防止誤操作，系統(tǒng)啟動后如未進行參數(shù)配置，“開始檢定”及“停止檢定按鈕”均為禁用狀態(tài)。

圖6 主程序界面

本系統(tǒng)上位機程序的過程可以簡化為數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、保存，由于實際運行中各過程的運行速度并不同步，普通的順序循環(huán)結(jié)構(gòu)或是管道流水線結(jié)構(gòu)都將導致程序的總體執(zhí)行效率受到各過程中最慢的那個的影響。因此，采用“生產(chǎn)者—消費者模型”設(shè)計主程序，通過引入消息隊列作為緩存，調(diào)節(jié)各過程之間的運行速度，將采集和處理等過程分開處理，以增強不同速率循環(huán)間的數(shù)據(jù)交互和共享能力，提高程序的事件響應(yīng)速度及執(zhí)行效率[12-13]。

主程序框圖如圖7所示，程序主要由五個循環(huán)構(gòu)成，分別為事件處理循環(huán)、UI消息循環(huán)、采集循環(huán)、處理和記錄循環(huán)、顯示循環(huán)。

圖7 主程序框圖

事件處理循環(huán)捕捉前面板按鈕動作事件，并將相應(yīng)消息寫入Message Queue的UI隊列中，是消息的“生產(chǎn)者”；UI消息循環(huán)從Message Queue的UI隊列讀取消息，響應(yīng)前面板按鈕動作事件，并發(fā)送相應(yīng)的消息到采集循環(huán)以及處理和記錄循環(huán)，是消息的“二傳手”；采集循環(huán)從Message Queue的采集隊列讀取消息，完成氣壓檢定點設(shè)置、數(shù)據(jù)采集等具體操作，并將采集到的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)隊列和通知器；處理和記錄循環(huán)從數(shù)據(jù)隊列中獲取采集數(shù)據(jù)，執(zhí)行數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)庫寫入等操作。

各循環(huán)之間通過消息隊列VI(操作者框架)保證分立性以及消息連續(xù)性。通過數(shù)據(jù)隊列和通知器，調(diào)節(jié)采集循環(huán)、處理和記錄循環(huán)的運行速度，保證采集、處理、記錄過程中數(shù)據(jù)的同步性和完整性。

2.3 檢定程序

在采集循環(huán)中使用狀態(tài)機來控制檢定流程，如圖8所示。

圖8 檢定程序框圖

圖10 數(shù)據(jù)庫寫入程序

使用Message Queue的采集隊列進行狀態(tài)傳遞，循環(huán)每次迭代時首先從隊列中取出下一狀態(tài)，然后執(zhí)行條件結(jié)構(gòu)的相應(yīng)分支，并在每一個狀態(tài)分支結(jié)束前將后一次或幾次迭代中需要執(zhí)行的狀態(tài)寫入隊列，從而實現(xiàn)按用戶設(shè)置的檢定點執(zhí)行“壓力控制—數(shù)據(jù)讀取—壓力控制”的檢定流程，當所有檢定點完成兩次升壓降壓循環(huán)后，檢定結(jié)束。

2.4 數(shù)據(jù)庫操作

信息化和網(wǎng)絡(luò)化是氣象業(yè)務(wù)發(fā)展的重要方向，為便于檢定信息的快速檢索和共享等，本系統(tǒng)將形成的檢定記錄信息存入MySQL數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)庫操作主要通過LabSQL工具包完成。首先在本機安裝MySQL數(shù)據(jù)庫和MySQL Connector/ODBC驅(qū)動，并在ODBC數(shù)據(jù)源管理器中添加和配置MySQL數(shù)據(jù)源，設(shè)置數(shù)據(jù)源名稱、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器TCP/IP地址、用戶名及密碼、要訪問的Database等，如圖9所示。設(shè)置完成后點擊“Test”按鈕，彈出提示框顯示“Connection Successful”即代表數(shù)據(jù)源連接成功。

圖9 配置數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)庫寫入程序框圖如圖10所示，首先使用“ADO Connection Create.vi”新建連接，并通過“ADO Connection Open.vi”打開數(shù)據(jù)源，調(diào)用“SQL Execute.vi”執(zhí)行雙重for循環(huán)拼接好的SQL語句即可完成數(shù)據(jù)庫寫入，最后關(guān)閉數(shù)據(jù)源并銷毀連接。

2.5 傳感器調(diào)整

2.5.1 PTB210

通過System Exec.vi調(diào)用VAISALA官方工具PTB210 Wizard來調(diào)整PTB210氣壓計，程序框圖如圖11所示。

圖11 LabVIEW調(diào)用外部可執(zhí)行文件

PTB210 Wizard程序界面如圖12所示，根據(jù)檢定結(jié)果，在MPC_1～ MPC_8輸入框中分別輸入各校準點和對應(yīng)修正值后，點擊“Write PTB210”即可完成氣壓計校準。

圖12 PTB210 Wizard程序

2.5.2 PTB220

PTB220氣壓計在調(diào)整多點修正值前，首先打開氣壓計外殼進行硬件設(shè)置，將SW4開關(guān)狀態(tài)撥至“ON”，使能存儲器寫入功能。

PTB220校準程序主體部分框圖如圖13所示，首先發(fā)送“MPC OFF”命令，停用多點修正。發(fā)送“MPC 1”命令，設(shè)置1號壓力傳感器的多點修正值。使用for循環(huán)依次輸入各校準點和對應(yīng)修正值后，發(fā)送“MPC ON”命令啟用多點修正，最后發(fā)送“RESET”重啟氣壓計，使設(shè)置生效。

圖13 PTB220校準程序

3 檢定實驗

選取一臺PTB220氣壓計(編號D2160055)進行實驗，其存儲的初始修正值如表3所示。

表3 初始修正值 (hPa)

按照JJG 1084-2013 《數(shù)字式氣壓計檢定規(guī)程》的步驟進行檢定，檢定結(jié)果如圖14所示。

圖14 檢定結(jié)果

由圖14可知，該氣壓計最大測量誤差為0.65 hPa，超過檢定規(guī)程中最大允許誤差0.3 hPa的要求，需要對傳感器進行校準。PTB210和PTB220氣壓計的校準可通過重新設(shè)置多點修正值實現(xiàn)，其用戶手冊給出的各點修正值計算方法如式(1)所示。

corr=preference-pmeasured

(1)

式中，corr為修正值，preference為標準表的示值，pmeasured為被檢表示值。

修正值反映的是氣壓計在校準點附近的偏差情況，以MPC_1為例，雖然表3中校準點不是整數(shù)值，但根據(jù)氣壓傳感器的工作原理，其在500 hPa上的修正值應(yīng)與499.400 hPa基本一致。因此，可按照式(1)計算出各整數(shù)值氣壓點上修正值，即檢定結(jié)果的各點測量誤差取負值。將新的多點修正值寫入氣壓計后再次進行檢定，檢定結(jié)果如圖15所示。

4 結(jié)果分析

從第一次修正后的檢定結(jié)果可以看出，經(jīng)過調(diào)整后的傳感器最大測量誤差為-0.25 hPa，雖然符合檢定規(guī)程的要求，但理論上修正后的氣壓計測量誤差應(yīng)基本接近零值，不應(yīng)出現(xiàn)較大誤差。通過對比表3中氣壓計的初始修正值可以發(fā)現(xiàn)，圖15中各檢定點的測量誤差基本等于初始修正值的取負值，由此判斷氣壓計的初始修正值可能已固化在氣壓計的處理程序中，按照式(1)得出的修正值調(diào)整氣壓計將造成過校正。

圖15 第一次修正后的檢定結(jié)果

因此，為使修正后的氣壓計示值更加接近標準值，在實際校準過程中，新的修正值應(yīng)為氣壓計存儲的初始修正值減去對應(yīng)檢定點測量誤差值，如式(2)所示。

corrnew=corrinitial-Δp

(2)

式中，corrnew為某校準點應(yīng)輸入的新修正值；corrinitial為氣壓計存儲的初始修正值；Δp為檢定結(jié)果中對應(yīng)檢定點的測量誤差值。

按照式(2)計算出各整數(shù)值氣壓點上修正值，如表4所示。

表4 新修正值 hPa

按表4重新設(shè)置PTB220氣壓計的多點修正值后，再次進行檢定，結(jié)果如圖16所示。

圖16 調(diào)整后的檢定結(jié)果

由圖16的檢定結(jié)果可以看出，在按照式(2)計算的多點修正值調(diào)整氣壓計后，其測量誤差最大不超過0.06 hPa，不僅滿足檢定規(guī)程的要求，而且相對于按式(1)修正的檢定結(jié)果，測量誤差更加接近零值，證明在對PTB220氣壓計進行調(diào)整時，應(yīng)當引入初始修正值。

5 結(jié)束語

目前氣壓檢定校準系統(tǒng)已在實驗室應(yīng)用，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，檢定流程控制準確，數(shù)據(jù)處理結(jié)果和生成證書格式正確，存在超差問題的氣壓計經(jīng)系統(tǒng)校準之后測量誤差滿足要求，有效減輕了檢定人員工作強度，提高了檢定校準效率，減少了人為錯誤的發(fā)生。

系統(tǒng)使用中也暴露出一些問題，如：程序采用面向過程思想編寫，不利于系統(tǒng)的擴展、維護和移植，在后期的改進中需要進一步完善，以增強系統(tǒng)的健壯性。