CN108507707B - 快速校准高精度温度传感器的装置及校准和验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种快速校准高精度温度传感器的装置及校准和验证方法，包括箱体和上盖，所述箱体内部由箱体边缘向中心处依次分割为A、B、C、D四个区域，其中B区域设置在A区域内部中心，C区域设置在B区域内部中心，D区域设置在C区域内部中心，B区域与D区域开槽，在C区域设置若干水平横穿该区域的孔道，该孔道连通B区域与D区域，B区域内用于放置传感器测温模块、D区域内用于放置传感器探头，C区域的孔道用于穿过连接测温模块和探头的导线，在上盖以及A、B、C、D四个区域均设置保温层。相比传统的校准方式，能够降低成本、提高校准效率以及传感器精度。
Description
技术领域
本发明主要高精度温度传感器技术领域，具体是快速校准高精度温度传感器的装置及校准和验证方法。
背景技术
高精度温度传感器出厂时需要进行校准作业，保证传感器的测量精度。常规的校准方式中，主要是采用大规模房间式的精密实验室，在实验室进行全现场布电线网线，通过对每一个传感器(数据测点)分别用电脑进行连接，获取得到数据后进行传感器的校准。常规方式中，实验室的搭建、电线、网线的布置需要巨大的工作和成本，且由于实验室本身空间规模大，等待实验室的稳定甚至要花费至少2小时的时间，投入成本高且效率极低；常规校准方式中，数据获取时耗时耗力成本高，同时模拟线路本身存在容易被干扰的问题，多次数据转换给数据采集带来不必要的成本和施工工作。
发明内容
为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种快速校准高精度温度传感器的装置及校准和验证方法，相比传统的校准方式，能够降低成本、提高校准效率以及传感器精度。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种快速校准高精度温度传感器的装置，包括温控箱，所述温控箱包括箱体和上盖，所述箱体内部由箱体边缘向中心处依次分割为A、B、C、D四个区域，其中B区域设置在A区域内部中心，C区域设置在B区域内部中心，D区域设置在C区域内部中心，B区域与D区域开槽，在C区域设置若干水平横穿该区域的孔道，该孔道连通B区域与D区域，B区域内用于放置传感器测温模块、D区域内用于放置传感器探头，C区域的孔道用于穿过连接测温模块和探头的导线，在上盖以及A、B、C、D四个区域均设置保温层。
A区域、C区域、D区域的外轮廓均为矩形，B区域周向的四侧均设置向外凸出延伸的安装空间，每侧的安装空间内可安装若干个传感器测温模块，D区域的矩形空间内每侧可安装若干个对应的传感器探头。
所述孔道在D区域的出口位置位于D区域开槽侧壁的中部。
所述B区域、D区域开槽深度为5cm，A区域、C区域的保温层厚度为15cm，B区域、D区域的保温层厚度为10cm。
所述保温层由PU保温材料填充。
还包括用于验证传感器校准结果的冰水验证装置，冰水验证装置包括保温瓶，保温瓶为圆柱形结构，采用双层真空钢化结构，真空层厚度5cm～8cm，内径5cm～10cm，高度15cm～30cm，测温探头放置于保温瓶的中下部距离瓶口三分之二处，径向居中，距离壁面需大于等于1/4直径，保温瓶瓶口敞开，瓶口处用铁丝对传感器的测温探头进行固定，确保探头悬空。
一种快速校准高精度温度传感器的校准和验证方法，包括如下步骤：
S1：将温度传感器放置于温控箱内，关闭温控箱，静置25～30分钟，其中放置在温控箱内的温度传感器应当包括多个参考测温传感器和待校准测温传感器，且温度传感器可进行无线数据传输；
S2：在上述时间段内，温控箱中的温度传感器测量即时温度并存储于数据存储模块，再通过无线传输方式传送至网关并存储与网关的数据存储模块，由网关通过互联网将数据传输并保存至云数据平台的数据库；
S3：使用办公地点的电脑由网页软件1通过互联网向云数据平台发送读取数据指令，云数据平台将数据通过互联网传送至电脑并以数据曲线或数据报表的形式呈现于网页软件1的页面上；
S4：使用办公地点的电脑由网页软件2进行在线数据处理，数据处理时以参考测温传感器的数据为依据调整待校准测温传感器的基准值，完成校准。
在步骤S4中，进行数据处理时，依据参考测温传感器的实际温度均值，计算出校准参数，附加计算得到待校准测温传感器的理论基准数值，进而将该理论基准数值返回传输至温控箱内的待校准测温传感器，并覆盖先前存储于数据存储模块中的数据，从而将旧的基准数更新成理论基准数值，完成校准。
在完成待校准温度传感器校验后，利用冰水验证装置进行冰水验证，冰水验证包括如下步骤：
S01：将校准后的传感器的测温探头放置于保温瓶中，静置5分钟，保温瓶内含冰水混合物，可形成0℃的校准工况；
S02：观察传感器的测量数据，若满足要求则通过校准，若超过规定的误差范围，传感器校准失败，需要更换全新的探头，重新进行校准验证流程。
在温控箱内放置的温度传感器应当至少包括3个参考测温传感器。
本发明的有益效果：
1、本发明的温控箱成本极低，且精简便携，可控性强，通过将温控箱进行合理分区，使校准空间控制在D区域较小的范围内，由于空间极小，加上严密保温，几乎达到完全隔热；温控箱具有良好的隔热、密封的特性，保温材料采用PU保温材料，且保温层的厚度大于等于10cm，温控箱关闭后开合缝隙处靠上盖的扣力而压紧封实；由于孔道出口位于D区槽内壁面中部，因此测温探头借由水平横穿孔道依托而得以悬空，不会触壁，探头所测得的温度是纯粹的能够真实反映D区空气的温度，对此，一方面能够确保参考传感器所得的温度与实际温度仅有±0.05℃的误差，从而确保待校准传感器也能被校准得如上诉的极小误差，能够达到高精度；另一方面在校准过程中只需要关闭全密封温控箱25～30分钟，传感器即可获得校准所需的合理稳定的数据，而常规的房间式的大规模的精密实验室至少需要花费2小时才能达到此要求，相比常规方式本发明能够大幅度提高传感器的校准效率。
2、本发明在传感器进行校准时，采用无线数据传输的方式，校准时只需要将传感器放置到温控箱内即可，而常规的实验室的校准过程全部基于有线传输数据才得以实现，即使通过建立高密度的架子来放置更多的传感器，光是设计建造这样的架子以及对每一个传感器连接电线网线这一点，就会带来巨大的工作量，而且还需要对每个传感器连接一个电脑来进行数据的读取，同时数据传输过程中的多次的数模转换过程，干扰程度大，数据的准确性难以保障，因此相比常规的方式，本发明是及其高效快捷的。
3、本发明在传感器校准后，采用冰水验证，由于保温瓶结构设计合理，空较小且具有极高的保温性能，通过验证校准结果保证每个传感器都具有较高的精度。
附图说明
附图1为本发明温控箱总体结构示意图；
附图2本发明温控箱内部区域划分方式示意图；
附图3为本发明校准方法示意图；
附图4为本发明冰水验证方法示意图。
具体实施方式
结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
如图1、2所示，本发明的温控箱为约0.5m3的矩形立方体箱子，箱体主要包括上部的上盖和下部的箱体，箱体上部全由箱子外壳以及内部全由保温材料填充，在此不做图示。保温材料采用的是PU保温材料，温控箱上盖部分的保温层厚度为10cm。
图2所示的箱体内部中，共有4个线框将温控箱划分为A、B、C、D四个区域，该区域全由保温材料填充而成。B区域与D区域开槽，开槽深度为5cm，A、C区域的保温层厚度为15cm，B、D区域同样有保温底层，厚度为10cm。C区域所示虚线为水平横穿的极细孔道(刚好够测温传感器的测温探头线穿过)，连通B区域与D区域，该孔道位于深2.5cm的部位。测温传感器皆放置于B区域，每个传感器所连接的测温探头分别沿着极细孔道穿过C区域到达D区域。由于孔道出口位置位于D区槽内壁面的中部，因此测温探头借由水平横穿孔道的依托而得以悬空，不会触壁。在图示中，A区域、C区域、D区域的外轮廓均为矩形，B区域周向的四侧均设置向外凸出延伸的安装空间，每侧的安装空间内可安装四个传感器测温模块，D区域的矩形空间内每侧可安装四个对应的传感器探头，因此本温控箱一次性可安装16个温度传感器。
图3、4所示为本发明校准方法示意图，在校准时，安装的16个温度传感器主要包括3个高精度参考测温传感器和13个带校准测温传感器，温度传感器的测温模块设置有数据存储模块，用于存储数据，具有无线收发数据模块，用于无线传输数据，同时具有电池供电。其中高精度参考测温无线传感器与待校准无线传感器的区别在于，前者是已经校准过的能够精确测温的传感器，而后者是刚组装好未进行过校准的传感器。
由于本发明校准时采用无线传输的方式，因此需要由集成电路实现的网关网关用于无线传输数据，具有数据存储模块和无线收发模块，在操作的电脑终端具有网页软件1和网页软件2，可通过代码编程实现。其中网页软件1可实现数据可视化功能、在线生成数据曲线、数据报表功能、数据在线查询功能；网页软件2用于在线处理数据，计算参考测温传感器的温度数据的均值，调整待校准测温传感器的温度数据的基准值，从而达到校准的目的。
使用本发明的温控箱进行传感器的校准时，其过程如下：
1.将测温无线传感器放置于温控箱中，关闭温控箱，静置25～30分钟。
2.在上述时段内，温控箱中编号1～16的传感器的测温模块测量即时温度(每隔一分钟会测量得到一个即时温度数据)，所得数据存储于数据存储模块，再由无线模块将数据无线传输至网关，并存储于网关的数据存储模块，同理通过互联网将数据传输至云数据平台，并存储于云数据平台的数据库。
3.网页软件1通过互联网向云数据平台发送读取数据指令，云数据平台将数据通过互联网传输至办公地点的电脑，以数据曲线或是数据报表的形式呈现于网页软件1的页面上。
(常规做法是，在实验室进行全现场布电线网线，通过对每一个传感器(数据测点)分别用电脑进行连接，才能获取得到数据。一方面耗时耗力成本高，同时模拟线路本身存在容易被干扰的问题，另一方面多次信号转换给数据采集带来不必要的成本和施工工作。本方法不但为每个温度传感器配备无线传输模块，还配备的电池进行供电，省去了许多上述麻烦，所有的传感器的数据通过无线传输能够实时传送，统一收发，统一处理)。
4.观察上述数据曲线，经过前述约25～30分钟的静置，编号为1～3的参考传感器的温度数据已非常的接近实际温度值，即判定可开始进行校准。
(常规实验室本身空间规模大，等待其室温的稳定甚至要花费至少2小时的时间，而本方法由于将过程控制在1立方米不到的全密封温控箱内，温度可以快速稳定下来，既节省时间又节省空间)。
5.使用网页软件2，依据高精度参考无线测温传感器的实际温度均值，计算出校准参数，附加计算得到待校准测温无线传感器在当时的理论温度，进而将该正确理论值通过相应路径(数据从传感器至电脑的路径相同，但方向相反)返回至温控箱中的无线传感器，并覆盖当时存储与存储模块的数据，达到将旧的基准数更新成理论基准数值的目的，即校准。
下面通过具体的计算公式说明传感器的校准方式：
以3个参考传感器和3个带校准传感器为例说明：
1).对3个参考传感器前述两小时中的末尾半个小时的数据分别求均值，令为T(准确参考值1)、T(准确参考值2)、T(准确参考值3)。
2).对3个待校准传感器前述两小时中的末尾半个小时的数据分别求均值，令为T(实测值4)、T(实测值5)、T(实测值6)。
3).执行如下公式：
λ1＝T(准确参考值1)/T(实测值4)
λ2＝T(准确参考值2)/T(实测值5)
λ3＝T(准确参考值3)/T(实测值6)
λ(校准参数)＝(λ1+λ2+λ3)/3
T(4号传感器校准后的理论精确值)＝λ×T(实测值4)
T(5号传感器校准后的理论精确值)＝λ×T(实测值5)
T(6号传感器校准后的理论精确值)＝λ×T(实测值6)
6.校准结束后，进行冰水验证：将校准后的传感器按下图所示放置，静置5min，即可观察数据判断是否校准成功(即是否达到0℃)，以及快速地判断校准的误差范围(是否在0℃±0.05℃的范围内)。
如图4所示，冰水验证装置及验证流程如下：
1)、圆柱形指的是保温瓶(保温瓶要求双层真空钢化，真空层厚度5cm～8cm，内径5cm～10cm，高度15cm～30cm)，该保温瓶内含冰水混合物，形成0℃的校准工况。
2)、矩形立方体指的是校准后的传感器，连接传感器的测温探头被放置于内含冰水混合物的保温瓶的中下部距离瓶口三分之二处，径向居中，距离壁面需>＝1/4直径。
3)保温瓶的瓶口敞开，瓶口处用铁丝对传感器的测温探头进行固定，已确保探头悬空。
4)作用：用于验证校准后，验证传感器测试数据在±0.05℃，若满足该要求则通过校准。若超过该误差范围，传感器校准失败，需更换全新的探头，再重新进行校准验证流程，保证高精度。
由于保温瓶的小空间以及高保温的特性，使得验证能够实现高精度。
本发明将温控箱的校准空间控制在D区仅125cm3(0.000125m3)的范围内，由于空间极小，加上严密保温，几乎达到完全绝热，每个温控箱可一次性校准13个传感器，若增加温控箱的数量，假设将此对比放大至常规校准实验室的大小22.5m3(3m×3m×2.5m)，则大概为45个温控箱，即相比于常规实验室的方法，花费同样的空间，本发明设计可一次性在30分钟内校准585个传感器，测试效率极高，且数据都是通过传感器无线模块进行无线传输的，校准时只需要将传感器放置到箱子内即可，操作简单方便。
Claims (10)
1.快速校准高精度温度传感器的装置，其特征在于，包括温控箱，所述温控箱包括箱体和上盖，所述箱体内部由箱体边缘向中心处依次分割为A、B、C、D四个区域，其中B区域设置在A区域内部中心，C区域设置在B区域内部中心，D区域设置在C区域内部中心，B区域与D区域开槽，在C区域设置若干水平横穿该区域的孔道，该孔道连通B区域与D区域，B区域内用于放置传感器测温模块、D区域内用于放置传感器探头，C区域的孔道用于穿过连接测温模块和探头的导线，在上盖以及A、B、C、D四个区域均设置保温层；测温模块设置有数据存储模块、无线收发数据模块，数据存储模块用于存储数据，无线收发数据模块用于无线传输数据。
2.如权利要求1所述的快速校准高精度温度传感器的装置，其特征在于，A区域、C区域、D区域的外轮廓均为矩形，B区域周向的四侧均设置向外凸出延伸的安装空间，每侧的安装空间内可安装若干个传感器测温模块，D区域的矩形空间内每侧可安装若干个对应的传感器探头。
3.如权利要求1所述的快速校准高精度温度传感器的装置，其特征在于，所述孔道在D区域的出口位置位于D区域开槽侧壁的中部。
4.如权利要求1所述的快速校准高精度温度传感器的装置，其特征在于，所述B区域、D区域开槽深度为5cm，A区域、C区域的保温层厚度为15cm，B区域、D区域的保温层厚度为10cm。
5.如权利要求1所述的快速校准高精度温度传感器的装置，其特征在于，所述保温层由PU保温材料填充。
6.如权利要求1所述的快速校准高精度温度传感器的装置，其特征在于，还包括用于验证传感器校准结果的冰水验证装置，冰水验证装置包括保温瓶，保温瓶为圆柱形结构，采用双层真空钢化结构，真空层厚度5cm～8cm，内径5cm～10cm，高度15cm～30cm，测温探头放置于保温瓶的中下部距离瓶口三分之二处，径向居中，距离壁面需大于等于1/4直径，保温瓶瓶口敞开，瓶口处用铁丝对传感器的测温探头进行固定，确保探头悬空。
7.应用权利要求1～6任一项所述装置快速校准高精度温度传感器的校准和验证方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将温度传感器放置于温控箱内，关闭温控箱，静置25～30分钟，其中放置在温控箱内的温度传感器应当包括多个参考测温传感器和待校准测温传感器，且温度传感器可进行无线数据传输；
S2：在上述时间段内，温控箱中的温度传感器测量即时温度并存储于数据存储模块，再通过无线传输方式传送至网关并存储与网关的数据存储模块，由网关通过互联网将数据传输并保存至云数据平台的数据库；
S3：使用办公地点的电脑由网页软件1通过互联网向云数据平台发送读取数据指令，云数据平台将数据通过互联网传送至电脑并以数据曲线或数据报表的形式呈现于网页软件1的页面上；
S4：使用办公地点的电脑由网页软件2进行在线数据处理，数据处理时以参考测温传感器的数据为依据调整待校准测温传感器的基准值，完成校准。
8.如权利要求7所述的快速校准高精度温度传感器的校准和验证方法，其特征在于，在步骤S4中，进行数据处理时，依据参考测温传感器的实际温度均值，计算出校准参数，附加计算得到待校准测温传感器的理论基准数值，进而将该理论基准数值返回传输至温控箱内的待校准测温传感器，并覆盖先前存储于数据存储模块中的数据，从而将旧的基准数更新成理论基准数值，完成校准。
9.如权利要求7所述的快速校准高精度温度传感器的校准和验证方法，其特征在于，在完成待校准温度传感器校验后，利用冰水验证装置进行冰水验证，冰水验证包括如下步骤：
S01：将校准后的传感器的测温探头放置于保温瓶中，静置5分钟，保温瓶内含冰水混合物，可形成0℃的校准工况；
S02：观察传感器的测量数据，若满足要求则通过校准，若超过规定的误差范围，传感器校准失败，需要更换全新的探头，重新进行校准验证流程。
10.如权利要求7所述的快速校准高精度温度传感器的校准和验证方法，其特征在于，在温控箱内放置的温度传感器应当至少包括3个参考测温传感器。
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