王 森,蔣書(shū)波,王 洋

(南京工業(yè)大學(xué)浦口校區(qū),南京 211816)

基于LabVIEW的露點(diǎn)校驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 森,蔣書(shū)波*,王 洋

(南京工業(yè)大學(xué)浦口校區(qū),南京 211816)

為實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)測(cè)量設(shè)備的高效校驗(yàn),在分流法原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的露點(diǎn)校驗(yàn)系統(tǒng),本系統(tǒng)通過(guò)發(fā)生較為精準(zhǔn)的露點(diǎn)并采集送檢設(shè)備的露點(diǎn)測(cè)量信息,實(shí)現(xiàn)送檢設(shè)備的準(zhǔn)確性校驗(yàn)。本系統(tǒng)基于LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)校準(zhǔn)系統(tǒng)的上位機(jī)功能,包括露點(diǎn)控制、協(xié)議設(shè)定、數(shù)據(jù)記錄等;由下位機(jī)實(shí)現(xiàn)流量控制、信號(hào)采集反饋以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｔ撓到y(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)際露點(diǎn)測(cè)量設(shè)備的校驗(yàn),結(jié)果表明可發(fā)生露點(diǎn)范圍-70 ℃～20 ℃,精度優(yōu)于0.15 ℃。

自動(dòng)化技術(shù);校驗(yàn)系統(tǒng);分流法;露點(diǎn)發(fā)生器

在氣象學(xué)中,露點(diǎn)是指在固定氣壓下,空氣中所含的氣態(tài)水達(dá)到飽和而凝結(jié)成液態(tài)水所需要降至的溫度[1],是空氣濕度的一種表示方式。如今,濕度測(cè)量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保、軍事裝備甚至生命安全等領(lǐng)域的重要性越來(lái)越明顯,而在大多數(shù)國(guó)家濕度標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中,濕度的復(fù)現(xiàn)都是以露點(diǎn)形式來(lái)進(jìn)行的[2]。然而不管應(yīng)用何種原理、何種設(shè)備測(cè)量露點(diǎn),器件長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生漂移,妨礙露點(diǎn)測(cè)量設(shè)備的正常工作。由此需要對(duì)露點(diǎn)測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn),這也正是本校準(zhǔn)系統(tǒng)的主要存在意義。

本系統(tǒng)通過(guò)控制露點(diǎn)發(fā)生裝置發(fā)生較為精準(zhǔn)的露點(diǎn)氣體,并采集待檢設(shè)備露點(diǎn)測(cè)量信息,從而對(duì)待檢設(shè)備的準(zhǔn)確度進(jìn)行判定,并自動(dòng)生成校驗(yàn)報(bào)表,作為露點(diǎn)測(cè)量的準(zhǔn)確度依據(jù)。

1 系統(tǒng)整體功能設(shè)計(jì)

本露點(diǎn)校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由露點(diǎn)發(fā)生器、下位機(jī)控制電路以及基于LabVIEW軟件平臺(tái)編制的上位機(jī)組成。露點(diǎn)發(fā)生裝置主要是由干濕氣體的流動(dòng)管路和飽和器組成,作為露點(diǎn)發(fā)生的氣體載體;下位機(jī)作為控制執(zhí)行和數(shù)據(jù)采集單元,控制露點(diǎn)發(fā)生裝置內(nèi)部器件動(dòng)作,采集溫度、壓力以及流量信息,并與上位機(jī)實(shí)時(shí)通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸;上位機(jī)主要用于人機(jī)交互,為用戶提供操作界面,同時(shí)與下位機(jī)通訊傳達(dá)控制命令,并處理下位機(jī)采集的數(shù)據(jù),最后自動(dòng)生成校驗(yàn)報(bào)表。

系統(tǒng)的整體流程圖如圖1所示,描述了本系統(tǒng)的主體功能以及邏輯順序。其中吹掃部分是在開(kāi)始校驗(yàn)前根據(jù)用戶自身的需要選擇。用于吹除長(zhǎng)時(shí)間工作后氣路中殘留的混合氣體,保證新一輪露點(diǎn)發(fā)生的準(zhǔn)確性。開(kāi)始校驗(yàn)后,上位機(jī)根據(jù)露點(diǎn)設(shè)定值計(jì)算干濕氣體流量后傳給下位機(jī),下位機(jī)以此控制質(zhì)量流量控制器改變管路開(kāi)度,發(fā)生目標(biāo)露點(diǎn)的混合氣體,同時(shí)采集管路中壓力、溫度及流量信息反饋給上位機(jī)。判斷超30 min是為了保證氣體充分混合并穩(wěn)定輸出,分6段記錄數(shù)據(jù)也是為了排除或盡可能減少各種不確定因素對(duì)數(shù)據(jù)的影響,保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,最后生成校驗(yàn)報(bào)告。

圖1 系統(tǒng)總流程

1.1 露點(diǎn)發(fā)生原理

露點(diǎn)發(fā)生器是指在一定條件下能發(fā)生固定露點(diǎn),即水蒸氣含量恒定且可知的氣流或氣氛裝置的總稱(chēng)[3],可為露點(diǎn)檢測(cè)裝置的校準(zhǔn)提供標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。由于與雙溫法、雙壓法、庫(kù)侖法等露點(diǎn)發(fā)生原理相比,分流法能提供的氣流的露點(diǎn)范圍寬、穩(wěn)定時(shí)間短、穩(wěn)定性好且流量大[4],因此本露點(diǎn)發(fā)生器采用的基本原理為分流法原理,原理如圖2所示。

圖2 發(fā)生器裝置原理圖

為了克服傳統(tǒng)分流法濕度發(fā)生器難以發(fā)生低濕度氣體的缺點(diǎn),本文采用二級(jí)分流法,將一股干氣按一定比例分做三股,一股經(jīng)飽和器飽和成為飽和濕氣;另一股干氣與上述飽和濕氣均勻混合,生成具有穩(wěn)定濕度的氣流,稱(chēng)該股氣流為一級(jí)稀釋氣。一級(jí)稀釋氣與最后一股干氣按照一定比例準(zhǔn)確混合,得到的氣流被稱(chēng)為二級(jí)稀釋氣,也即具有目標(biāo)露點(diǎn)的輸出氣體。由于露點(diǎn)發(fā)生過(guò)程受壓力、溫度等因素影響較大,故發(fā)生過(guò)程還需在關(guān)鍵部位放置壓力、溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.2 系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)硬件控制電路部分主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和發(fā)生器控制,其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,數(shù)據(jù)采集包括質(zhì)量流量控制器的實(shí)際發(fā)生流量、飽和罐溫度、一級(jí)氣管路中的壓力和標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀以及被檢露點(diǎn)儀采集到的露點(diǎn)值。控制部分包括控制質(zhì)量流量控制器流量控制、恒溫槽溫度控制和干燥器電磁閥控制。

圖3 下位機(jī)結(jié)構(gòu)圖

基于分流法原理建立的濕度發(fā)生系統(tǒng),干濕氣體的流量控制精度直接關(guān)系到露點(diǎn)發(fā)生的準(zhǔn)確性,因此流量的準(zhǔn)確控制至關(guān)重要。根據(jù)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布的關(guān)于露點(diǎn)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的指標(biāo),作為標(biāo)準(zhǔn)氣體發(fā)生系統(tǒng)想要達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),需要將0.15 ℃作為露點(diǎn)控制精度[5]。因此本文選用16位的DA芯片AD5683R提升控制部分的控制電壓精度。

1.2.1 供電穩(wěn)壓設(shè)計(jì)

在高精度的ADC或DAC電路中,供電質(zhì)量對(duì)其性能影響很大。設(shè)計(jì)選用了輸出線性好、功耗小且輸出電壓誤差在±1%范圍內(nèi)的高精度電源芯片TLV1117,輸出5 V電壓供電的同時(shí),為穩(wěn)壓電路提供參考電壓。穩(wěn)壓電路如圖4所示,其中三極管Q3(TIP122)在電路中作為調(diào)整元件,當(dāng)電路輸出電壓波動(dòng)欲起時(shí),能及時(shí)加以調(diào)節(jié),使輸出電壓保持基本穩(wěn)定。在電路中,電源芯片輸出到運(yùn)放的同向端,電源芯片的輸入經(jīng)R19、R22組成的取樣電路分壓后送到運(yùn)放的反向端,經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大后,驅(qū)動(dòng)調(diào)整管Q3。經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路,最終能夠?qū)崿F(xiàn)4.999 V穩(wěn)定電壓輸出。

穩(wěn)壓輸出部分的過(guò)流保護(hù)電路由R21和Q4組成。設(shè)Im為保護(hù)動(dòng)作電流,則當(dāng)電源輸出電流I增加到Im時(shí),R21上的壓降Im·R21使得Q4管導(dǎo)通,分掉了Q3上的基極電流,使輸出I不再增加,起到了過(guò)流保護(hù)作用。

1.2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

對(duì)4路質(zhì)量流量控制來(lái)說(shuō),通過(guò)0～5 V電壓控制對(duì)應(yīng)量程范圍的流量輸出,也即控制電壓與實(shí)際發(fā)生流量之間存在線性關(guān)系。數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的作用是將根據(jù)目標(biāo)濕度測(cè)算的理論流量轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量控制器的控制電壓,從而控制發(fā)生露點(diǎn)對(duì)應(yīng)的干濕氣體流量。根據(jù)對(duì)流量控制精度要求分析,選用16位DA芯片AD5683R實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換,電路圖如圖5所示。

圖4 供電穩(wěn)壓輸出電路

圖5 4路流量控制電路設(shè)計(jì)

數(shù)模轉(zhuǎn)換部分由上述穩(wěn)壓供電電路供電,在穩(wěn)定電源的作用下,AD5683R可以利用內(nèi)部低漂移2.5 V基準(zhǔn)電壓源提供轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓,標(biāo)稱(chēng)值受溫度變化影響只有2 ×10-6/℃,而相對(duì)精度16位時(shí)最大為±2LSB,對(duì)應(yīng)到5 V電壓輸出,控制精度能夠達(dá)到0.15 mV,能夠滿足濕度發(fā)生系統(tǒng)對(duì)流量的控制要求。

AD5683R寫(xiě)入數(shù)據(jù)的周期很快,為了穩(wěn)定最終輸出給質(zhì)量流量控制器的控制電壓,使發(fā)生的氣體流量平穩(wěn),在AD5683R輸出端利用運(yùn)放設(shè)計(jì)電壓跟隨電路,穩(wěn)定輸出電壓。

1.3 上位機(jī)功能設(shè)計(jì)

校驗(yàn)系統(tǒng)上位機(jī)基于LabVIEW軟件平臺(tái)編制實(shí)現(xiàn)。圖6所示為上位機(jī)人機(jī)交互界面,分為發(fā)生器控制與被檢儀器兩大部分,發(fā)生器部分包括了露點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值、露點(diǎn)設(shè)定值、間隔時(shí)間等參數(shù)設(shè)定,以及溫度、干氣露點(diǎn)、相對(duì)濕度、4路流量等信息的顯示。被檢儀器部分包括送檢設(shè)備信息、露點(diǎn)量程以及露點(diǎn)測(cè)量值等參數(shù)的設(shè)定。開(kāi)始校驗(yàn)和啟動(dòng)吹掃兩個(gè)控制按鈕分別用于控制校驗(yàn)部分程序的啟動(dòng)和干氣吹掃程序的啟動(dòng)。

圖6 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面作為系統(tǒng)主要的操作界面,系統(tǒng)要求的一切功能都可以在此界面操作完成,程序啟動(dòng)后,將根據(jù)用戶設(shè)定的露點(diǎn)值發(fā)生10組或少于10組不同露點(diǎn)的氣體供送檢設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)級(jí)露點(diǎn)儀進(jìn)行檢測(cè)。上位機(jī)同時(shí)記錄不同送檢設(shè)備對(duì)不同露點(diǎn)混合氣體的測(cè)量值,露點(diǎn)發(fā)生完成后,程序?qū)⒆詣?dòng)生成校驗(yàn)報(bào)表,并以對(duì)應(yīng)的時(shí)間和送檢設(shè)備型號(hào)命名存儲(chǔ)于固定位置以便查看。

在技術(shù)人員進(jìn)行上位機(jī)操作時(shí),首先根據(jù)4組送檢設(shè)備的信息在被檢儀器部分輸入4路送檢設(shè)備的樣品號(hào)、型號(hào)規(guī)格、準(zhǔn)確度等信息,這些信息在露點(diǎn)發(fā)生完成并且采集記錄結(jié)束后自動(dòng)的寫(xiě)入Excel表格,保存到特定的位置。并且每路檢測(cè)設(shè)備都帶有信號(hào)量程以及被檢儀器露點(diǎn)測(cè)量量程的設(shè)定,其中信號(hào)量程表示露點(diǎn)對(duì)應(yīng)電流信號(hào)的量程,由此可以通過(guò)線性轉(zhuǎn)換,將從下位機(jī)讀取到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為送檢設(shè)備實(shí)際測(cè)量的露點(diǎn)數(shù)據(jù)。而被檢儀器測(cè)量值是指送檢設(shè)備所測(cè)得的露點(diǎn)值。

其次,設(shè)置發(fā)生器部分參數(shù),發(fā)生器部分設(shè)定值包括發(fā)生露點(diǎn)值、露點(diǎn)發(fā)生間隔時(shí)間、干氣露點(diǎn)值,其中干氣露點(diǎn)值一般是在開(kāi)始校驗(yàn)被檢露點(diǎn)儀之前將干氣通入高精度露點(diǎn)儀進(jìn)行測(cè)量的出的。設(shè)定露點(diǎn)值是根據(jù)用戶自己的需要,輸入范圍在-70 ℃～20 ℃范圍內(nèi)的露點(diǎn)值,上位機(jī)計(jì)算出此露點(diǎn)值所需的4路質(zhì)量流量控制器控制的流量值,并且經(jīng)過(guò)串口傳輸給下位機(jī)來(lái)控制質(zhì)量流量控制器的開(kāi)度,從而使混合氣體達(dá)到設(shè)定露點(diǎn)。另外發(fā)生器部分還會(huì)顯示露點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值、環(huán)境溫度、飽和罐壓力等數(shù)據(jù)。其中露點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值是由精度更高的露點(diǎn)檢測(cè)儀器測(cè)量發(fā)生氣體得出的標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)值,它與上文所提的被檢儀器測(cè)量值所顯示的數(shù)據(jù)之間的差值大小就表示了對(duì)應(yīng)的待檢設(shè)備的檢測(cè)精度。

最后,根據(jù)自己需要選擇是否按下吹掃按鈕控制吹掃程序啟動(dòng),其作用是利用干氣吹除殘留氣體使管路恢復(fù)正常工作狀態(tài)。然后按下開(kāi)始按鈕,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)操作人員將此按鍵按下,綠色指示燈亮起,上位機(jī)將會(huì)自動(dòng)控制露點(diǎn)發(fā)生器發(fā)生設(shè)定的露點(diǎn),完成校驗(yàn)過(guò)程,并生成校驗(yàn)報(bào)表。

2 系統(tǒng)分析與測(cè)試結(jié)果

2.1 不確定度分析

在本校驗(yàn)系統(tǒng)中,不確定度來(lái)源主要為;飽和器的飽和度引入的不確定度u(e);標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備精度的不確定度u(s);流量引入的不確定度u(q):

(1)因?yàn)轱柡凸逌囟扰c環(huán)境溫度的差異,以及流量的影響,經(jīng)過(guò)飽和罐的飽和濕氣的飽和度會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析,濕氣的飽和度造成的不確定度會(huì)在±0.017 5 ℃以內(nèi),由此:

(2)在本校驗(yàn)系統(tǒng)中,露點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)值由作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的高精度露點(diǎn)儀MBW373測(cè)量得出,并以電壓信號(hào)變送輸出。MBW373的檢測(cè)精度為±0.1 ℃,區(qū)間半寬為0.1 ℃,服從均勻分布,則:

(3)根據(jù)流量控制部分的設(shè)計(jì),需要將0.15 ℃作為露點(diǎn)控制精度。流量控制的不穩(wěn)定帶來(lái)的露點(diǎn)不確定小于0.15 ℃,由此:

根據(jù)不確定度傳播率,由上述不確定度合成總的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

因?yàn)閲?guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件對(duì)于露點(diǎn)發(fā)生器精度要求的0.15 ℃,所以本露點(diǎn)校驗(yàn)系統(tǒng)滿足國(guó)家校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 發(fā)生器測(cè)試結(jié)果

運(yùn)行系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)生-70 ℃、-60 ℃、-50 ℃、-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃固定露點(diǎn)進(jìn)行露點(diǎn)發(fā)生測(cè)試。利用精密露點(diǎn)儀MBW373作為露點(diǎn)發(fā)生標(biāo)準(zhǔn),以DPT122露點(diǎn)儀作為被檢儀器。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束自動(dòng)保存報(bào)表如圖7所示。

觀察表內(nèi)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),露點(diǎn)設(shè)定值與露點(diǎn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)值之間最大誤差為0.06 ℃與總合成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度做比較,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的露點(diǎn)發(fā)生器發(fā)生的露點(diǎn)偏差小于系統(tǒng)總不確定度。被校驗(yàn)的DPT122對(duì)露點(diǎn)的測(cè)試誤差在2.2 ℃～6.6 ℃范圍內(nèi),超過(guò)規(guī)范文件規(guī)定的正常使用范圍,需要經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)才能繼續(xù)使用。校準(zhǔn)過(guò)程可以參考圖7所示的校驗(yàn)報(bào)告修正值一欄,對(duì)實(shí)際露點(diǎn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

圖7 被檢儀器樣品1校準(zhǔn)報(bào)告

3 結(jié)論

本文在分流法原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的露點(diǎn)校驗(yàn)系統(tǒng),本系統(tǒng)通過(guò)發(fā)生較為精準(zhǔn)的露點(diǎn)并采集送檢設(shè)備的露點(diǎn)測(cè)量信息,實(shí)現(xiàn)送檢設(shè)備的準(zhǔn)確性校驗(yàn)。結(jié)果表明可發(fā)生露點(diǎn)范圍-70 ℃～20 ℃,精度優(yōu)于0.15 ℃,滿足國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)校驗(yàn)過(guò)程全自動(dòng)執(zhí)行,并最終自動(dòng)生成校驗(yàn)報(bào)表,大大減輕了校驗(yàn)人員的工作量。

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TheCalibrationSystemofDewPointBasedonLabVIEW

WANGSen,JIANGShubo*,WANGYang

(Nanjing TechUniversityPukou Campus,Nanjing 211816,China)

To test dew-point measurement equipmentefficiently,on the basis of Divided Flow and combining the LabVIEW software,this paper works on designing a calibration system of Dew point. It occurs precise dew point and collects the measurement information of inspection device to check the accuracy of the inspection equipment. The system is based on LabVIEW,including dew point control,setting the protocol and recording data. The lower machine controls the flow rate,signal acquisition and data transfer. The system has been applied to check the actual dew point measuring device,the results show a dew point range -70 ℃～20 ℃,stability is better than ±0.05 ℃.

automatics;calibration system;divided-flow method;dew point generator

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.039

2016-08-04修改日期2016-09-20

TP29

A

1005-9490(2017)05-1257-05

王森(1991-),男,漢族,江蘇徐州人,南京工業(yè)大學(xué),碩士在讀,檢測(cè)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì),136101812@qq.com;

蔣書(shū)波(1975-),女,漢族,江蘇南京,南京工業(yè)大學(xué),副教授,工業(yè)過(guò)程檢測(cè)方法與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、氣體拉曼光譜儀器、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì),153381253@qq.com。