基于LabVIEW的露点校验系统设计

2017-11-03蒋书波

电子器件 2017年5期

关键词：露点校验上位

王森,蒋书波,王洋

(南京工业大学浦口校区,南京 211816)

基于LabVIEW的露点校验系统设计

王森,蒋书波*,王洋

(南京工业大学浦口校区,南京 211816)

为实现露点测量设备的高效校验,在分流法原理基础上设计了一套基于LabVIEW的露点校验系统,本系统通过发生较为精准的露点并采集送检设备的露点测量信息,实现送检设备的准确性校验。本系统基于LabVIEW软件平台设计实现露点校准系统的上位机功能,包括露点控制、协议设定、数据记录等;由下位机实现流量控制、信号采集反馈以及数据传输等功能。该系统已应用于实际露点测量设备的校验,结果表明可发生露点范围-70 ℃～20 ℃,精度优于0.15 ℃。

自动化技术;校验系统;分流法;露点发生器

在气象学中,露点是指在固定气压下,空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水所需要降至的温度[1],是空气湿度的一种表示方式。如今,湿度测量在工农业生产、环保、军事装备甚至生命安全等领域的重要性越来越明显,而在大多数国家湿度标准实验室中,湿度的复现都是以露点形式来进行的[2]。然而不管应用何种原理、何种设备测量露点,器件长时间使用会导致传感器产生漂移,妨碍露点测量设备的正常工作。由此需要对露点测量设备校准,这也正是本校准系统的主要存在意义。

本系统通过控制露点发生装置发生较为精准的露点气体,并采集待检设备露点测量信息,从而对待检设备的准确度进行判定,并自动生成校验报表,作为露点测量的准确度依据。

1 系统整体功能设计

本露点校准系统主要由露点发生器、下位机控制电路以及基于LabVIEW软件平台编制的上位机组成。露点发生装置主要是由干湿气体的流动管路和饱和器组成,作为露点发生的气体载体;下位机作为控制执行和数据采集单元,控制露点发生装置内部器件动作,采集温度、压力以及流量信息,并与上位机实时通讯实现数据的传输;上位机主要用于人机交互,为用户提供操作界面,同时与下位机通讯传达控制命令,并处理下位机采集的数据,最后自动生成校验报表。

系统的整体流程图如图1所示,描述了本系统的主体功能以及逻辑顺序。其中吹扫部分是在开始校验前根据用户自身的需要选择。用于吹除长时间工作后气路中残留的混合气体,保证新一轮露点发生的准确性。开始校验后,上位机根据露点设定值计算干湿气体流量后传给下位机,下位机以此控制质量流量控制器改变管路开度,发生目标露点的混合气体,同时采集管路中压力、温度及流量信息反馈给上位机。判断超30 min是为了保证气体充分混合并稳定输出,分6段记录数据也是为了排除或尽可能减少各种不确定因素对数据的影响,保证数据的准确性,最后生成校验报告。

图1 系统总流程

1.1 露点发生原理

露点发生器是指在一定条件下能发生固定露点,即水蒸气含量恒定且可知的气流或气氛装置的总称[3],可为露点检测装置的校准提供标准依据。由于与双温法、双压法、库仑法等露点发生原理相比,分流法能提供的气流的露点范围宽、稳定时间短、稳定性好且流量大[4],因此本露点发生器采用的基本原理为分流法原理,原理如图2所示。

图2 发生器装置原理图

为了克服传统分流法湿度发生器难以发生低湿度气体的缺点,本文采用二级分流法,将一股干气按一定比例分做三股,一股经饱和器饱和成为饱和湿气;另一股干气与上述饱和湿气均匀混合,生成具有稳定湿度的气流,称该股气流为一级稀释气。一级稀释气与最后一股干气按照一定比例准确混合,得到的气流被称为二级稀释气,也即具有目标露点的输出气体。由于露点发生过程受压力、温度等因素影响较大,故发生过程还需在关键部位放置压力、温度传感器进行监测。

1.2 系统下位机设计

下位机硬件控制电路部分主要实现数据采集和发生器控制,其结构图如图3所示,数据采集包括质量流量控制器的实际发生流量、饱和罐温度、一级气管路中的压力和标准露点仪以及被检露点仪采集到的露点值。控制部分包括控制质量流量控制器流量控制、恒温槽温度控制和干燥器电磁阀控制。

图3 下位机结构图

基于分流法原理建立的湿度发生系统,干湿气体的流量控制精度直接关系到露点发生的准确性,因此流量的准确控制至关重要。根据国家质量监督检验检疫总局发布的关于露点校准标准设备的指标,作为标准气体发生系统想要达到一级标准,需要将0.15 ℃作为露点控制精度[5]。因此本文选用16位的DA芯片AD5683R提升控制部分的控制电压精度。

1.2.1 供电稳压设计

在高精度的ADC或DAC电路中,供电质量对其性能影响很大。设计选用了输出线性好、功耗小且输出电压误差在±1%范围内的高精度电源芯片TLV1117,输出5 V电压供电的同时,为稳压电路提供参考电压。稳压电路如图4所示,其中三极管Q3(TIP122)在电路中作为调整元件,当电路输出电压波动欲起时,能及时加以调节,使输出电压保持基本稳定。在电路中,电源芯片输出到运放的同向端,电源芯片的输入经R19、R22组成的取样电路分压后送到运放的反向端,经过运放放大后,驱动调整管Q3。经过稳压电路,最终能够实现4.999 V稳定电压输出。

稳压输出部分的过流保护电路由R21和Q4组成。设Im为保护动作电流,则当电源输出电流I增加到Im时,R21上的压降Im·R21使得Q4管导通,分掉了Q3上的基极电流,使输出I不再增加,起到了过流保护作用。

1.2.2 数模转换设计

对4路质量流量控制来说,通过0～5 V电压控制对应量程范围的流量输出,也即控制电压与实际发生流量之间存在线性关系。数模转换部分的作用是将根据目标湿度测算的理论流量转换为质量流量控制器的控制电压,从而控制发生露点对应的干湿气体流量。根据对流量控制精度要求分析,选用16位DA芯片AD5683R实现数模转换,电路图如图5所示。

图4 供电稳压输出电路

图5 4路流量控制电路设计

数模转换部分由上述稳压供电电路供电,在稳定电源的作用下,AD5683R可以利用内部低漂移2.5 V基准电压源提供转换基准电压,标称值受温度变化影响只有2 ×10-6/℃,而相对精度16位时最大为±2LSB,对应到5 V电压输出,控制精度能够达到0.15 mV,能够满足湿度发生系统对流量的控制要求。

AD5683R写入数据的周期很快,为了稳定最终输出给质量流量控制器的控制电压,使发生的气体流量平稳,在AD5683R输出端利用运放设计电压跟随电路,稳定输出电压。

1.3 上位机功能设计

校验系统上位机基于LabVIEW软件平台编制实现。图6所示为上位机人机交互界面,分为发生器控制与被检仪器两大部分,发生器部分包括了露点标准值、露点设定值、间隔时间等参数设定,以及温度、干气露点、相对湿度、4路流量等信息的显示。被检仪器部分包括送检设备信息、露点量程以及露点测量值等参数的设定。开始校验和启动吹扫两个控制按钮分别用于控制校验部分程序的启动和干气吹扫程序的启动。

图6 人机交互界面

人机交互界面作为系统主要的操作界面,系统要求的一切功能都可以在此界面操作完成,程序启动后,将根据用户设定的露点值发生10组或少于10组不同露点的气体供送检设备及标准级露点仪进行检测。上位机同时记录不同送检设备对不同露点混合气体的测量值,露点发生完成后,程序将自动生成校验报表,并以对应的时间和送检设备型号命名存储于固定位置以便查看。

在技术人员进行上位机操作时,首先根据4组送检设备的信息在被检仪器部分输入4路送检设备的样品号、型号规格、准确度等信息,这些信息在露点发生完成并且采集记录结束后自动的写入Excel表格,保存到特定的位置。并且每路检测设备都带有信号量程以及被检仪器露点测量量程的设定,其中信号量程表示露点对应电流信号的量程,由此可以通过线性转换,将从下位机读取到的电流信号转换为送检设备实际测量的露点数据。而被检仪器测量值是指送检设备所测得的露点值。

其次,设置发生器部分参数,发生器部分设定值包括发生露点值、露点发生间隔时间、干气露点值,其中干气露点值一般是在开始校验被检露点仪之前将干气通入高精度露点仪进行测量的出的。设定露点值是根据用户自己的需要,输入范围在-70 ℃～20 ℃范围内的露点值,上位机计算出此露点值所需的4路质量流量控制器控制的流量值,并且经过串口传输给下位机来控制质量流量控制器的开度,从而使混合气体达到设定露点。另外发生器部分还会显示露点标准值、环境温度、饱和罐压力等数据。其中露点标准值是由精度更高的露点检测仪器测量发生气体得出的标准露点值,它与上文所提的被检仪器测量值所显示的数据之间的差值大小就表示了对应的待检设备的检测精度。

最后,根据自己需要选择是否按下吹扫按钮控制吹扫程序启动,其作用是利用干气吹除残留气体使管路恢复正常工作状态。然后按下开始按钮,当现场操作人员将此按键按下,绿色指示灯亮起,上位机将会自动控制露点发生器发生设定的露点,完成校验过程,并生成校验报表。

2 系统分析与测试结果

2.1 不确定度分析

在本校验系统中,不确定度来源主要为;饱和器的饱和度引入的不确定度u(e);标准设备精度的不确定度u(s);流量引入的不确定度u(q):

(1)因为饱和罐温度与环境温度的差异,以及流量的影响,经过饱和罐的饱和湿气的饱和度会产生一定的波动。根据试验结果分析,湿气的饱和度造成的不确定度会在±0.017 5 ℃以内,由此:

(2)在本校验系统中,露点的标准值由作为标准设备的高精度露点仪MBW373测量得出,并以电压信号变送输出。MBW373的检测精度为±0.1 ℃,区间半宽为0.1 ℃,服从均匀分布,则:

(3)根据流量控制部分的设计,需要将0.15 ℃作为露点控制精度。流量控制的不稳定带来的露点不确定小于0.15 ℃,由此:

根据不确定度传播率,由上述不确定度合成总的标准不确定度为:

因为国家标准文件对于露点发生器精度要求的0.15 ℃,所以本露点校验系统满足国家校验标准。

2.2 发生器测试结果

运行系统自动发生-70 ℃、-60 ℃、-50 ℃、-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃固定露点进行露点发生测试。利用精密露点仪MBW373作为露点发生标准,以DPT122露点仪作为被检仪器。系统运行结束自动保存报表如图7所示。

观察表内结果可以发现,露点设定值与露点测量标准值之间最大误差为0.06 ℃与总合成的标准不确定度做比较,本系统设计的露点发生器发生的露点偏差小于系统总不确定度。被校验的DPT122对露点的测试误差在2.2 ℃～6.6 ℃范围内,超过规范文件规定的正常使用范围,需要经过校准才能继续使用。校准过程可以参考图7所示的校验报告修正值一栏,对实际露点测量结果进行修正。

图7 被检仪器样品1校准报告

3 结论

本文在分流法原理基础上设计了一套基于LabVIEW的露点校验系统,本系统通过发生较为精准的露点并采集送检设备的露点测量信息,实现送检设备的准确性校验。结果表明可发生露点范围-70 ℃～20 ℃,精度优于0.15 ℃,满足国家质量监督检验检疫总局对标准气的一级标准要求。同时本系统能够实现校验过程全自动执行,并最终自动生成校验报表,大大减轻了校验人员的工作量。

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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

1005-9490(2017)05-1257-05