一种温度传感器智能检定系统的设计及应用

谭晗凌，邹庆彪，黄飞龙，周嘉健

（广东省气象探测数据中心，广东 广州 510080）

自动气象站装备大量的传感器用于气象要素的观测，为生产工作、防灾减灾提供了重要的支撑作用。目前，据广东省气象局站网信息管理系统的统计数据，广东省已经部署了3 000多套自动气象站，而铂电阻温度计是自动站中数量最多的传感器，未来随着我国进一步推进气象现代化建设，对传感器进行计量检定的任务愈发繁重。

广东省气象计量检定所现有温度检定采用WLR-1D型制冷恒温温度槽，检定数据都要由检定员人工记录后再转存至业务数据库［1］。每次记录数据量高达上百条，耗费巨大的人力还容易录入错误数据［2］。为提高计量检定效率、自动化程度和信息化程度，本研究设计了一套基于“云+端”理念的温度传感器检定系统，该系统能对温度传感器进行批量化检定和实现无人值守的检定过程，还能对检定数据进行集约化管理和展示，实现检定证书的自动生成和打印。目前，该系统已经成功应用于广东省气象计量检定所。

1 传感器信号采集及检定原理

自动站使用铂电阻温度传感器进行气温和土壤温度的测量，铂电阻具有稳定性好、测量精度高的特性。

在-50～0℃温度范围内，电阻阻值Rt与温度t的关系如式（1）

在0～80℃温度范围内，电阻阻值Rt与温度t的关系如式（2）

其中，Rt为t℃时的电阻阻值（Ω）；R0＝100Ω，为标称电阻阻值；A、B、C为温度系数，分别为3.908 3×10-3℃-1、-5.775×10-7℃-2、-4.183×10-12℃-4。温度-阻值公式中的默认参数如表1所示。

表1 设置温度命令发送格式

由于温度传感器中铂电阻的电阻值不易直接测量，因此，该系统使用恒流源对铂电阻电路进行驱动，通过高精度的AD采样电路对电阻两端的电压进行采集，通过电压-电流（U-I）关系，即可得到阻值［3］。

2 系统架构

目前，广东省自动气象站采用的温度传感器为Pt100铂电阻传感器，针对该传感器的特性，为满足“JJG（气象）002-2015《自动气象站铂电阻温度传感器》检定规程”的要求，检定系统采用的架构如图1所示。

图1 系统框架示意图

将被检温度传感器、标准温度计置于恒温槽内，其中标准温度计测得温度作为标准温度。恒温槽通过RS232串口与嵌入式采集控制模块相连，实现采集控制模块对恒温槽工作状态、温度设置的控制。嵌入式采集控制模块通过WIFI通信与云端的控制服务器相连，实现控制命令的传递和检定数据的传输和入库，跟传统的PC上位机控制相比大大节省了空间，减少了故障率，提高了集成度。用户通过云端服务器提供的Html5移动客户端向服务器发送指令，服务器收到指令后做出相应的动作，包括向嵌入式采集控制模块传递相应的指令、调用数据库数据、数据展示、检定证打印等。

3 系统模块设计

3.1 温度标准器及温度槽的选型

温度标准器采用RCY-1A型校准式铂电阻标准温度计，其测温范围为-60～100℃，基本误差为-0.05～0.05℃，最小分辨率为0.01℃。

温度槽选用百川唯立的WLR-1D型制冷恒温温度槽，使用的是宇电的AIJ-4.1高精度温度控制仪，其温度波动度优于±0.01℃，温度均匀度优于0.01℃，工作温度范围为-60～90℃，能够满足检定要求。

3.2 嵌入式采集控制模块设计

此模块为该系统的核心部分，主要负责被检温度传感器和标准温度计的采样以及对温度槽的温度设置以及通过WIFI模块与云端服务器进行通信，主要由MCU、TTL转RS232通信单元、AD采样单元、电源管理单元4部分组成，其中MCU控制单元采用乐鑫公司生产的ESP32芯片，具体架构如图2所示。

图2 嵌入式采集控制模块架构示意图

通过ADG1607多路选择器，嵌入式采集控制模块能同时对不同的铂电阻进行采样。每一路中采用的采样电路如图3所示，其中R100采用的是精度为万分之一的100Ω精密电阻，通过AD7792自带的恒流源驱动铂电阻电路，简化电路的同时也大幅度减小了PCB的面积。合适大小的恒流源能够有效减少Pt100铂电阻的子恒电阻发热提高测量的准确性，因此恒流源选择为1 mA输出，此时铂电阻功耗约100μW，产生的热量可以忽略不计。通过AD7792采样高精度标准电阻和铂电阻的差分电压值Vr100（V）和Vpt（V）再计算出温度，具体计算程序为

图3 四线制Pt100铂电阻温度传感器的采样电路

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；

温度槽的高精度温度控制仪AIJ-4.1遵循MODBUS通讯协议，通用性强。根据标准温度计和温度槽的通信协议，MCU通过TTL转RS232通信单元获取RCY-1A标准温度计的实时温度和设置WLR-1D温度槽的环境温度。具体的设置命令格式帧如表1所示。本机地址范围0～100，本系统采用01。设置温度的功能码为“01H”，参数地址、参数数目和字节数为固定值，参数值是需要设置的温度值，命令末尾加上CRC校验结束。嵌入式系统采用Arduino编程。

3.3 云端服务器及数据库方案设计

云端服务器系统采用B／S架构开发，包括基于C＃开发的控制和监控模块、基于PHP搭建的服务端以及基于MySql搭建的数据库。

用户在App上填写完此次检定参数并点击开始检定后，服务端会向服务器端发送请求。服务器接收到请求后录入检定信息，同时开始温度检定并向嵌入式采集控制装置发出相应的指令［4-5］。完整的温度传感器自动化检定流程图如图4所示。

图4 检定流程示意图

服务器将温度槽配置命令通过无线网络发送给嵌入式模块，等待温度槽的工作温度设置到初始检定点，随后开始以3 s 1次的频率读取RCY-1A型标准温度计的读数。当检测到温度槽达到检定点温度并且标准温度计读数稳定时，进入数据采集阶段，数据采集模块开始采集标准温度计和被检温度传感器的测量值，采样频率为每30 s 1次，共读取4次。数据采集完成后，进入数据处理阶段，计算出4次采样的平均值保存至数据缓存中，再将平均值进行误差检查，若误差在允许范围内则此次合格，超出误差范围则发送警告信息告知用户。随后将温度槽的工作温度设置为下一个温度检定点，重复以上操作。当所有检定点都完成后，将缓存数据保存至数据库中，并通知用户检定结束［6-7］。

数据库负责存储检定任务的信息、传感器信息及检定数据，按照实际业务需求，数据库表分为为检定过程表和检定证记录表两个主要部分。检定过程表主要存储检定过程中的检定数据信息，主要包括设备编号、当前温度值、各检定点平均值、各检定点标准器读数、检定编号、检定日期、检定时长等。检定证记录表主要存储检定完成之后的检定结果数据，主要包括设备编号、检定证编号、各检定点平均值、各检定点标准器读数、检定证打印日期、已打印标记等。

3.4 移动客户端设计

为了满足跨平台的要求，同时免去App的安装要求，采用基于Htm l5技术来编写移动客户端，其具体界面如图5所示，用户设置完参数点击开始检定后，客户端将检定参数传给服务器。服务器再将相应阶段的设置命令通过无线发送给嵌入式模块，模块收到命令后完成设置命令并不断将采样数据传回给服务器直至完成检定流程。

图5 移动客户端界面

3.5 检定证打印系统设计

系统会将检定的数据自动存至数据库中，用户通过web页面输入传感器编号、检定日期等即可搜索到相关的检定证，系统支持区域站的单支传感器打印和地面站成捆13支批量打印［8］。检定证通过打印机直接打印出来，便于检定员系统管理。

本研究设计的无线铂电阻温度传感器自动检定系统完成了对WLR-1D型温度槽的远程控制和对Pt100铂电阻的精确测量，实现了对铂电阻温度传感器检定从智能控温、数据采集到数据入库、证书打印的整套流程。该系统投入试运行以来，工作稳定，数据安全可靠，已完成1 300余支传感器的检定工作，免去了以往繁琐的人工录入数据，提高了广东省气象计量检定所的工作效率，用定制化的嵌入式无线系统替代传统PC机的“云+端”架构也提升了温度计量检定的集约化程度。