一種溫度傳感器智能檢定系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

譚晗凌，鄒慶彪，黃飛龍，周嘉健

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東 廣州 510080）

自動氣象站裝備大量的傳感器用于氣象要素的觀測，為生產(chǎn)工作、防災(zāi)減災(zāi)提供了重要的支撐作用。目前，據(jù)廣東省氣象局站網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，廣東省已經(jīng)部署了3 000多套自動氣象站，而鉑電阻溫度計是自動站中數(shù)量最多的傳感器，未來隨著我國進一步推進氣象現(xiàn)代化建設(shè)，對傳感器進行計量檢定的任務(wù)愈發(fā)繁重。

廣東省氣象計量檢定所現(xiàn)有溫度檢定采用WLR-1D型制冷恒溫溫度槽，檢定數(shù)據(jù)都要由檢定員人工記錄后再轉(zhuǎn)存至業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫［1］。每次記錄數(shù)據(jù)量高達上百條，耗費巨大的人力還容易錄入錯誤數(shù)據(jù)［2］。為提高計量檢定效率、自動化程度和信息化程度，本研究設(shè)計了一套基于“云+端”理念的溫度傳感器檢定系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對溫度傳感器進行批量化檢定和實現(xiàn)無人值守的檢定過程，還能對檢定數(shù)據(jù)進行集約化管理和展示，實現(xiàn)檢定證書的自動生成和打印。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于廣東省氣象計量檢定所。

1 傳感器信號采集及檢定原理

自動站使用鉑電阻溫度傳感器進行氣溫和土壤溫度的測量，鉑電阻具有穩(wěn)定性好、測量精度高的特性。

在-50～0℃溫度范圍內(nèi)，電阻阻值Rt與溫度t的關(guān)系如式（1）

在0～80℃溫度范圍內(nèi)，電阻阻值Rt與溫度t的關(guān)系如式（2）

其中，Rt為t℃時的電阻阻值（Ω）；R0＝100Ω，為標稱電阻阻值；A、B、C為溫度系數(shù)，分別為3.908 3×10-3℃-1、-5.775×10-7℃-2、-4.183×10-12℃-4。溫度-阻值公式中的默認參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)置溫度命令發(fā)送格式

由于溫度傳感器中鉑電阻的電阻值不易直接測量，因此，該系統(tǒng)使用恒流源對鉑電阻電路進行驅(qū)動，通過高精度的AD采樣電路對電阻兩端的電壓進行采集，通過電壓-電流（U-I）關(guān)系，即可得到阻值［3］。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

目前，廣東省自動氣象站采用的溫度傳感器為Pt100鉑電阻傳感器，針對該傳感器的特性，為滿足“JJG（氣象）002-2015《自動氣象站鉑電阻溫度傳感器》檢定規(guī)程”的要求，檢定系統(tǒng)采用的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架示意圖

將被檢溫度傳感器、標準溫度計置于恒溫槽內(nèi)，其中標準溫度計測得溫度作為標準溫度。恒溫槽通過RS232串口與嵌入式采集控制模塊相連，實現(xiàn)采集控制模塊對恒溫槽工作狀態(tài)、溫度設(shè)置的控制。嵌入式采集控制模塊通過WIFI通信與云端的控制服務(wù)器相連，實現(xiàn)控制命令的傳遞和檢定數(shù)據(jù)的傳輸和入庫，跟傳統(tǒng)的PC上位機控制相比大大節(jié)省了空間，減少了故障率，提高了集成度。用戶通過云端服務(wù)器提供的Html5移動客戶端向服務(wù)器發(fā)送指令，服務(wù)器收到指令后做出相應(yīng)的動作，包括向嵌入式采集控制模塊傳遞相應(yīng)的指令、調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)展示、檢定證打印等。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

3.1 溫度標準器及溫度槽的選型

溫度標準器采用RCY-1A型校準式鉑電阻標準溫度計，其測溫范圍為-60～100℃，基本誤差為-0.05～0.05℃，最小分辨率為0.01℃。

溫度槽選用百川唯立的WLR-1D型制冷恒溫溫度槽，使用的是宇電的AIJ-4.1高精度溫度控制儀，其溫度波動度優(yōu)于±0.01℃，溫度均勻度優(yōu)于0.01℃，工作溫度范圍為-60～90℃，能夠滿足檢定要求。

3.2 嵌入式采集控制模塊設(shè)計

此模塊為該系統(tǒng)的核心部分，主要負責被檢溫度傳感器和標準溫度計的采樣以及對溫度槽的溫度設(shè)置以及通過WIFI模塊與云端服務(wù)器進行通信，主要由MCU、TTL轉(zhuǎn)RS232通信單元、AD采樣單元、電源管理單元4部分組成，其中MCU控制單元采用樂鑫公司生產(chǎn)的ESP32芯片，具體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入式采集控制模塊架構(gòu)示意圖

通過ADG1607多路選擇器，嵌入式采集控制模塊能同時對不同的鉑電阻進行采樣。每一路中采用的采樣電路如圖3所示，其中R100采用的是精度為萬分之一的100Ω精密電阻，通過AD7792自帶的恒流源驅(qū)動鉑電阻電路，簡化電路的同時也大幅度減小了PCB的面積。合適大小的恒流源能夠有效減少Pt100鉑電阻的子恒電阻發(fā)熱提高測量的準確性，因此恒流源選擇為1 mA輸出，此時鉑電阻功耗約100μW，產(chǎn)生的熱量可以忽略不計。通過AD7792采樣高精度標準電阻和鉑電阻的差分電壓值Vr100（V）和Vpt（V）再計算出溫度，具體計算程序為

圖3 四線制Pt100鉑電阻溫度傳感器的采樣電路

tmp＝10.0*100 000L*（（signed int）（Vpt-Vr100）／（390.8*Vr100））；

T＝（tmp＞＝0？0.5：（-0.5））+tmp+（（float）PCalError［（int）fabs（tmp）／10］）／10.0；

溫度槽的高精度溫度控制儀AIJ-4.1遵循MODBUS通訊協(xié)議，通用性強。根據(jù)標準溫度計和溫度槽的通信協(xié)議，MCU通過TTL轉(zhuǎn)RS232通信單元獲取RCY-1A標準溫度計的實時溫度和設(shè)置WLR-1D溫度槽的環(huán)境溫度。具體的設(shè)置命令格式幀如表1所示。本機地址范圍0～100，本系統(tǒng)采用01。設(shè)置溫度的功能碼為“01H”，參數(shù)地址、參數(shù)數(shù)目和字節(jié)數(shù)為固定值，參數(shù)值是需要設(shè)置的溫度值，命令末尾加上CRC校驗結(jié)束。嵌入式系統(tǒng)采用Arduino編程。

3.3 云端服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫方案設(shè)計

云端服務(wù)器系統(tǒng)采用B／S架構(gòu)開發(fā)，包括基于C＃開發(fā)的控制和監(jiān)控模塊、基于PHP搭建的服務(wù)端以及基于MySql搭建的數(shù)據(jù)庫。

用戶在App上填寫完此次檢定參數(shù)并點擊開始檢定后，服務(wù)端會向服務(wù)器端發(fā)送請求。服務(wù)器接收到請求后錄入檢定信息，同時開始溫度檢定并向嵌入式采集控制裝置發(fā)出相應(yīng)的指令［4-5］。完整的溫度傳感器自動化檢定流程圖如圖4所示。

圖4 檢定流程示意圖

服務(wù)器將溫度槽配置命令通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給嵌入式模塊，等待溫度槽的工作溫度設(shè)置到初始檢定點，隨后開始以3 s 1次的頻率讀取RCY-1A型標準溫度計的讀數(shù)。當檢測到溫度槽達到檢定點溫度并且標準溫度計讀數(shù)穩(wěn)定時，進入數(shù)據(jù)采集階段，數(shù)據(jù)采集模塊開始采集標準溫度計和被檢溫度傳感器的測量值，采樣頻率為每30 s 1次，共讀取4次。數(shù)據(jù)采集完成后，進入數(shù)據(jù)處理階段，計算出4次采樣的平均值保存至數(shù)據(jù)緩存中，再將平均值進行誤差檢查，若誤差在允許范圍內(nèi)則此次合格，超出誤差范圍則發(fā)送警告信息告知用戶。隨后將溫度槽的工作溫度設(shè)置為下一個溫度檢定點，重復以上操作。當所有檢定點都完成后，將緩存數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中，并通知用戶檢定結(jié)束［6-7］。

數(shù)據(jù)庫負責存儲檢定任務(wù)的信息、傳感器信息及檢定數(shù)據(jù)，按照實際業(yè)務(wù)需求，數(shù)據(jù)庫表分為為檢定過程表和檢定證記錄表兩個主要部分。檢定過程表主要存儲檢定過程中的檢定數(shù)據(jù)信息，主要包括設(shè)備編號、當前溫度值、各檢定點平均值、各檢定點標準器讀數(shù)、檢定編號、檢定日期、檢定時長等。檢定證記錄表主要存儲檢定完成之后的檢定結(jié)果數(shù)據(jù)，主要包括設(shè)備編號、檢定證編號、各檢定點平均值、各檢定點標準器讀數(shù)、檢定證打印日期、已打印標記等。

3.4 移動客戶端設(shè)計

為了滿足跨平臺的要求，同時免去App的安裝要求，采用基于Htm l5技術(shù)來編寫移動客戶端，其具體界面如圖5所示，用戶設(shè)置完參數(shù)點擊開始檢定后，客戶端將檢定參數(shù)傳給服務(wù)器。服務(wù)器再將相應(yīng)階段的設(shè)置命令通過無線發(fā)送給嵌入式模塊，模塊收到命令后完成設(shè)置命令并不斷將采樣數(shù)據(jù)傳回給服務(wù)器直至完成檢定流程。

圖5 移動客戶端界面

3.5 檢定證打印系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)會將檢定的數(shù)據(jù)自動存至數(shù)據(jù)庫中，用戶通過web頁面輸入傳感器編號、檢定日期等即可搜索到相關(guān)的檢定證，系統(tǒng)支持區(qū)域站的單支傳感器打印和地面站成捆13支批量打印［8］。檢定證通過打印機直接打印出來，便于檢定員系統(tǒng)管理。

本研究設(shè)計的無線鉑電阻溫度傳感器自動檢定系統(tǒng)完成了對WLR-1D型溫度槽的遠程控制和對Pt100鉑電阻的精確測量，實現(xiàn)了對鉑電阻溫度傳感器檢定從智能控溫、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)入庫、證書打印的整套流程。該系統(tǒng)投入試運行以來，工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)安全可靠，已完成1 300余支傳感器的檢定工作，免去了以往繁瑣的人工錄入數(shù)據(jù)，提高了廣東省氣象計量檢定所的工作效率，用定制化的嵌入式無線系統(tǒng)替代傳統(tǒng)PC機的“云+端”架構(gòu)也提升了溫度計量檢定的集約化程度。