小型高精度无线温度数据采集仪的研制

余松林，王 喆，栗慧燕，王晓丹

（1.天津市计量监督检测科学研究院，天津300192；2.中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部，天津300450）

温度数据采集仪是指可直接置于被测环境中进行测量，具有自动采集被测温度信号、数据存储、记录和通讯等功能的温度测量仪表[1]。相比温度传感器与测量仪表分离的传统测量装置，温度数据采集仪高度集成了温度传感器、测量电路、数据采集与存储系统，具有体积小、测量精度高和温度数据可存储的优点。存储的数据还可用来对被测设备温度变化进行后期分析或跟踪。这些优点使得其广泛应用于制药工程、食品加工和医疗卫生等领域。特别是一些密封设备，如冷链运输车、胶塞清洗灭菌器、冻干机、罐装食品、巴氏灭菌器、清洗消毒和热力灭菌设备温度计等温度参数的计量校准[2～4]。

温度数据采集仪的工作环境较为恶劣，高湿、极端冷热或高压环境对温度数据采集仪封装及测量电路设计均提出了挑战。同时，待测设备的多样性还要求温度数据采集仪不仅应具有较宽的温度测量范围和较高的测量精度，还应在恶劣工作环境下保持较高的测量可靠性和稳定性[5-6]。特别是如罐装食品或小型药物反应容器等狭小密闭空间的温度计量，对温度数据采集仪的体积和测量精度提出较高要求。目前，市场上广泛使用的温度数据采集仪多为国外产品，售价较为昂贵。美国MadgeTech公司研发的微型温度数据采集仪MT-MicroTemp，尺寸为18×66 mm（φ×L），测量温度范围为（-40～+80）℃，测量精度和分辨率分别为±0.5 ℃和0.1 ℃，可存储32767 组数据[7]。法国TMI-Orion 公司推出的MiniVACQ、NanoVACQ 和PicoVACQ 等多款产品，温度测量范围介于（-90～140）℃，测量精度为±（0.1～0.2）℃。体积最小的PicoVACQ 产品尺寸仅为15×35 mm（φ×L），数据存储为12303 组[8]。德国testo 公司也研制出尺寸为20×40 mm～20×72 mm（φ×L）的多款产品，测量范围达到（-50～140）℃，数据存储为30000～60000 组之间。国内开展相关研究的较少，多数产品为贴牌生产。文献[9]设计的设备测温范围为（-40～140）℃，其它参数未知。

本研究提出开发一种基于Pt1000 温度传感器的小型化高精度无线温度数据采集仪。该设备外观尺寸为30×60 mm（φ×L），测温范围达到（-40～140）℃，测量分辨力为0.01 ℃，测量精度优于±0.1 ℃，防护等级达到IP68。整机工作电流为8.4 mA，功耗仅30 mW，可存储32767 组数据。此外，还编制了基于VISA 接口的LabVIEW 上位机控制软件，可实现存储数据的采集及处理。还利用标准铂电阻温度计和恒温槽对研制温度数据采集仪进行了实验验证，结果表明，研制的温度数据采集仪的示值误差绝对值不超过0.06 ℃，且示值误差的扩展不确定度优于0.05 ℃（k=2），优于其它同类产品。最后，利用研制的温度数据采集仪对医用热力灭菌设备温度计进行了校准，获得了被校灭菌设备温度计的温度波动度和示值误差等参数。

1 测量系统设计

1.1 温度数据采集仪硬件电路设计

温度数据采集仪硬件电路采用模块化设计方式，主要包括温度采集模块、主控模块单片机、EEPROM 存储模块和电池管理模块4 个主要部分，硬件电路设计示意图如图2所示。温度采集模块即为Pt1000 温度传感器的数据采集模块，其主控模块芯片可获取并存储温度数据、选择工作模式、对恒流源校准、传输数据、检测电池电量和接收指令。通过时间选择使能开关、校准使能开关和上传使能开关作为逻辑控制开关，以实现不同的功能。数据传输接口是通过上传使能开关，将数据进行传输及指令下达。存储模块由EEPROM 构成，实现采集数据的存储，最多可存储32762 组数据。电池管理模块是由升压模块及线性稳压模块两部分构成，通过对电池电压进行升压和稳压，保证在特殊温度环境，如高温或低温下为系统提供持续稳定供电。PCB 电路板为近圆型，整体直径为15 mm，降低了整机的尺寸。

图1 温度数据采集仪硬件设计示意图Fig.1 Hardware design schematic diagram of temperature data acquisition instrument

1.2 外壳封装设计

温度数据采集仪的外壳应具备防水、抗压等功能，以应对较为严苛的工作环境。本研究采用316L不锈钢作为外壳加工材料，结合PCB 电路板制作工艺，外壳设计为圆柱型结构，外壳封装设计示意图如图2所示。外壳封装结构主要包括：①金属电池旋盖；②电池负极触电弹簧；③耐高、低温电池；④镀金导电铜块；⑤PCB 印刷电路板；⑥金属外壳；⑦Pt1000 温度传感器；⑧数据读取窗口；⑨数据读取、时间模式选择接口旋盖。金属材质外壳保证了温度数据采集仪测量电路不受外界环境影响，整机防护等级达到IP68 级。

图2 温度数据采集仪外壳封装设计示意图Fig.2 Shell encapsulation schematic diagram of temperature data acquisition instrument

2 实验结果与讨论

2.1 温度数据采集仪实验标定

为提高研制的温度记录仪的测量准确性，减小测量误差，采用二等标准铂电阻温度计（T25-420-1，昆明大方自动控制科技有限公司）和恒温槽（7341，FLUKE）进行示值标定实验。实验过程中，标准铂电阻温度计的测量值为实际温度。温度数据采集仪9次测量温度数据如表1所示（限于篇幅，表1中的数据保留两位小数点）。实验结果表明，以0 ℃校准点为分界点，研制的温度数据采集仪示值误差随校准点温度的升高而增大。在140 ℃测量点，示值误差最大值为2.25 ℃，0 ℃校准点的示值误差最小，为0.03 ℃。

表1 温度数据采集仪的测量温度值Tab.1 Measured temperature value of temperature data acquisition instrument

2.2 温度数据采集仪补偿方法

利用实际温度值与温度数据采集仪测量值的比值建立温度修正补偿方法，实现对温度数据采集仪的温度示值补偿。根据其测量特性，可选用多项式进行拟合[10-11]。设其在0 ℃校准点的比值为1，并以0 ℃校准点为分界点，建立温度数据采集仪的补偿方法。（-40～0）℃和（0～140）℃区间的多项式拟合曲线如图3所示（R2≥0.99）。利用拟合的多项式对测量温度点进行修正补偿，结果如图4所示。采用温度补偿方法后，温度数据采集仪在各温度校准点的测量示值误差绝对值不大于0.06 ℃。采用补偿方法显著减小了温度数据采集仪的测量误差，提高了测量精度，其测量性能优于其它同类产品。

图3 温度数据采集仪补偿曲线Fig.3 Compensation curve of temperature data acquisition instrument

图4 补偿前后的示值误差Fig.4 Compensated and uncompensated indication error

2.3 不确定度分析

该温度数据采集仪的不确度分量主要包括研制装置的重复性实验误差、标准铂电阻温度计稳定性、水三相点变化、标准铂电阻配套电测仪表、以及恒温槽的温度波动性和均匀性等引入的不确定度分量。以140 ℃温度测量点为例，计分析温度数据采集仪器的不确定度。根据JJF 1366-2012，温度数据采集仪校准时，恒温槽的温度均匀性应不超过0.01 ℃，温度波动性应不超过0.02 ℃/10 min，那么引入的不确定度分量分别为2.9 mK 和5.8 mK。查阅二等标准铂电阻溯源证书，可得其在140 ℃时测量误差为8.2 mK，那么对应的不确定度分量为3.2 mK。根据水三相点瓶溯源证书可得其变化量为3 mK，计算可得引入的不确定度分量为1.7 mK。铂电阻配套电测设备相对误差不大于3×10-5℃，可得其引入的不确定度分量为5.2 mK。140 ℃温度测量点的各不确定度分量如表2所示，计算可得研制的温度数据采集仪在140 ℃的扩展不确定度为0.05 ℃（k=2）。同样可以计算得到本研制装置在其它温度点的扩展不确定度，其值优于0.05 ℃（限于篇幅，其它数据未给出）。

表2 140 ℃测量点的不确定度分量数值Tab.2 Component value of uncertainty at 140 ℃

3 温度数据采集仪的应用

利用研制的温度数据采集仪对医用热力灭菌设备温度计的温度参数进行校准，单次测量曲线如图5所示。相同实验重复测量3 次，取3 次测量结果平均值作为校准结果。

图5 灭菌器温度校准曲线Fig.5 Temperature calibration curve for thermometers of clinic autoclave

根据JJF 1308-2011[12]，计算可得该被校灭菌设备在115 ℃设定温度点，灭菌保持时间为23 min。灭菌保持时间内，温度最小和最大值分别为115.29 ℃和117.75 ℃，温度波动度为2.46 ℃，示值误差为+1.81 ℃（U=0.24 ℃，k=2）。

4 结语

为满足密封设备的温度计量需要，设计了一种高度集成温度传感器、测量电路、数据采集与存储系统的小型高精度温度数据采集仪。同进，还编制了基于VISA 接口的LabVIEW 上位机系统，可实现存储数据的采集及处理。该设备外观尺寸为30×60 mm（φ×L），测温范围达到（-40～140）℃，测量分辨力为0.01 ℃，测量精度优于±0.1 ℃。该设备防护等级达到IP68，整机工作电流为8.4 mA，功耗仅30 mW，可存储32767 组数据。还利用恒温槽和标准铂电阻构成的校准系统对研制的温度数据采集仪进行了实验标定，并建立了温度修正补偿方法。补偿后的温度数据采集仪的示值误差绝对值不超过0.06 ℃，且示值误差的扩展不确定度优于0.05 ℃（k=2），优于其它同类产品。最后，利用研制的温度数据采集仪对医用热力灭菌设备温度计进行了校准，获得了被校灭菌设备温度计的温度波动度和示值误差等参数。结果表明，研制的温度数据采集仪具有较高的测量精度，可应用于密封设备的在线校准。