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电子计量仪器自动化的仪器校准的可行性探讨

发布时间:2019-12-9 8:48:53  浏览:

随着计算机技术的飞速发展,电子测量仪器正逐步向标准化、可程控化的方向转变,使得建立在这些技术基础之上的自动化的仪器校正/仪器校准系统的研制成为一个重要的课题。

目前,自动化的仪器校正/仪器校准系统的程序开发可通过以下三种方式实现:

(1)通用软件开发平台,如VisualBasic、C#等。无疑,使用这些专业软件开发平台编写自动化的仪器校正/仪器校准程序,需要专业人员来完成。

(2)专业仪器控制软件,如LabVIEW等。使用图形化编程语言,虽然,已大大降低了软件开发的难度,但作为数据采集和仪器控制的通用平台,使用起来仍存在一定的学习成本。

(3)具有针对性的软件产品。如Fluke公司的MET/CALPlus为检定人员提供了根据自身的需要进行自动化的仪器校正/仪器校准程序开发的平台。这类产品,一般都具有针对性强、使用简单的特点,但硬件通用性差就是其不可回避的缺点。

因此,如何构建一个既操作简单,又具有通用性,凡符合标准的电子仪器均可实现自动化的仪器校正/仪器校准的程序开发平台,是值得探讨的问题。本文提出了一种通用电子计量仪器自动化的仪器校正/仪器校准平台的解决方案,并重点从软件角度阐述了该平台的实现思路。

1软件需求分析

(1)目前,各类仪器的常用接口包括RS-232、GPIB、LAN等,要对不同的硬件接口实现兼容,可以通过VISA提供的标准I/O函数库实现。VISA是VXIplug&play联盟制定的I/O接口软件标准及其规范的总称,独立于硬件设备、接口,提供了统一的设备资源管理、操作和使用的机制。

(2)实现系统的通用化,仪器校正/仪器校准程序不以代码的形式固化于软件中,而是将控制流程与命令以文件或数据的形式保存,动态的根据检定人员编写的流程解释执行相应的控制指令,实现智能控制。

(3)系统采用直接可选取仪器指令,提示输入参数的方式完成仪器校正/仪器校准程序的编写。

2软件设计

通过需求分析,软件的设计将采取软件与仪器校正/仪器校准的具体指令、流程分离的思想,即软件提供仪器校正/仪器校准程序的编辑接口,检定人员自行编写仪器校正/仪器校准程序脚本,并以XML文件(可扩展标记语言,可以用来标记数据、定义数据类型)格式存储在服务器上。运行仪器校正/仪器校准程序时,软件平台只负责解释与执行。软件主要由六个模块组成:仪器指令编辑模块、程序编写模块、仪器驱动模块、不确定度计算模块和数据保存与证书生成模块。

2.1仪器指令编辑模块

自动化的仪器校准程序的编写是建立在数据库中存储的仪器指令的基础之上的。此模块提供了统一的仪器指令维护功能,检定人员只需选择或新建相应的仪器型号,选择仪器类型,然后按要求分别输入指令说明、指令格式、参数设置即可。系统提供了统一的界面,以固定文本框形式给出,避免输入错误。仪器指令仅需输入一次,即可达到信息的重复使用与共享的目的。

仪器指令分为通用指令和扩展指令两类。通用指令为每种同类型仪器共同拥有的功能相同的指令,例如信号发生器的设置频率指令,是每个信号发生器都具有的功能。采用此种机制的原因在于,通用指令是编写程序模板的基础。

2.2程序编写模块

检定人员通过选择相应的仪器型号,系统自动查询加载数据库中已存储的该仪器的指令,以按钮形式呈现给检定人员,检定人员不需要重复翻查仪器的编程手册,只需要点击相应的按钮即可在脚本中加入相应的指令。为简化使用,系统并未提供循环控制命令。另外,考虑到同一项目的仪器校正/仪器校准程序具有相似性,软件提供了模板编写功能。模板其实也是一段程序脚本,不同之处在于,模板是将这段脚中的通用指令抽取出来,即使用特殊符号标记。这样,在使用模板时,系统将根据标记,自动将抽取部分的指令替换为选定的某特定型号的指令。不需要手动编写任何程序,就可实现一个完整的功能,大大减化了程序的编写工作。

2.3仪器驱动模块

每个加载的仪器均为VISAInstrument类的一个实例。VISAInstrument是包装了通过VISAI/O访问遵循VISA标准的各类仪器的通用指令的类,实现了无差别化的访问各类仪器的功能。一个典型的指令序列如下(仅列出函数,未包括函数参数):

viOpenDefaultRM:打开和默认资源管理器的会话

viOpen:打开和仪器的会话

viWrite或viRead:向仪器发送数据或从仪器读取数据

viClose:关闭和仪器的会话

2.4不确定度计算模块

本系统采用GUM测量不确定度评定方法,即应用测量不确定度传播律的方法,该方法是ISO/IEC在GUIDE98-3:2008中推荐采用的。

(1)A类评定

根据一系列测量值用统计分布的方法进行的测量不确定度分量评定,测量值在进行校准时自动获取。

(2)B类评定

根据有关信息或经验,判断被测量的可能值区间,假设被测量的概率分布。因此检定人员只需预设区间半宽度a、概率分布类型和分布概率或直接给出包含因子k。

(3)合成标准不确定度和扩展不确定度

由上述评定的不确定度分量自动计算得到,检定人员只需要进行简单的设置即可完成。

(4)不确定度评定综述

由以上分析可知,测量不确定度计算的关键是检定人员需要建立测量模型及关键参数的确定,系统将根据测量模型与参数,自动完成测量不确定度的计算。

2.5数据保存与证书生成模块

众所周知,不同类型仪器的检定项目区别很大,难以用统一的格式存储于数据库内。同时考虑到过去所使用的证书模板多数为Excel格式,因此,系统采用了Excel文件的形式保存数据,同时数据库内保存文件路径,方便检索。

3对比验证

以Agilent34401A直流电压10V量程的1V、5V、10V三个点的校准,对自动校准程序与手动校准进行对比,结果如表1所示:

 电子计量仪器自动化的仪器校准的可行性探讨

注:重复测量10次;扩展不确定度k=2;手动校准时间仅包括10次读数记录的时间。仪器设置与检定人员熟练程度密切相关,数据计算由计算方式决定,不具备普遍性,因此为使数据更为客观,这两项耗时未包含在内。

通过表1所列对比验证数据可知,自动校准软件与手动校准的结果与测量不确定度接近,但校准时间上有明显提升,特别是当测量重复次数较多时,优势更为明显。

4结语

本文探讨了通用自动化的仪器校正/仪器校准平台应具备的特点,并提出了一种解决方案。通过实际应用,验证了此方案的可行性。同时与传统手动仪器校正/仪器校准的对比实验中,证明了其可靠性与高效性。

然而,系统在不确定度的评定中采用的GUM评定方法,虽然可适用于大多数测量模型,但当测量模型复杂或输出量概率分布明显不对称,又或者求偏导数比较困难时,更适用于蒙特卡罗法进行分布的传递。所以,作为一个通用平台,未能加入多种测量不确定度的评定方法,也是今后需要改进的地方。


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