基于圖形化編程軟件和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)多路溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

我們開(kāi)發(fā)氮氧化物化學(xué)發(fā)光法分析儀時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)有三處需要溫度測(cè)控：反應(yīng)室，鉬轉(zhuǎn)換室，光子計(jì)數(shù)器PMT。反應(yīng)室中的溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)（一氧化氮與臭氧反應(yīng)）有一定的影響，我們要找到最佳溫度，使反應(yīng)效率最大。鉬轉(zhuǎn)換室的溫度影響二氧化氮轉(zhuǎn)換為一氧化氮的效率，因此也需要效率最大時(shí)的溫度。溫度測(cè)量與控制的要求是：反應(yīng)室的測(cè)控溫度范圍為：30—70OC，波動(dòng)：±0.5 OC；鉬轉(zhuǎn)換室的測(cè)控范圍為：250—370 OC，波動(dòng)：±3 OC。光子計(jì)數(shù)器PMT受溫度的影響很大，溫度越高光子計(jì)數(shù)器PMT的暗計(jì)數(shù)越高。在對(duì)光子計(jì)數(shù)器PMT制冷的同時(shí)，對(duì)它的溫度也進(jìn)行監(jiān)視，以確定其是在低溫（約5OC）環(huán)境下工作。系統(tǒng)要求測(cè)溫精度為0.05OC。

為保證系統(tǒng)要求，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，我們采用了美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments）的圖形化編程軟件系統(tǒng)LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡Lab-PC-1200，構(gòu)建了分析儀的整個(gè)溫度測(cè)控系統(tǒng)。在構(gòu)建系統(tǒng)過(guò)程中，解決了數(shù)據(jù)采集卡的多路測(cè)量與輸出控制的問(wèn)題，在一定的硬件條件下，優(yōu)化程序進(jìn)一步提高系統(tǒng)測(cè)控性能。對(duì)于基于虛擬儀器構(gòu)建多路測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了初步的探討。

溫度測(cè)控系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)，強(qiáng)大的圖形化編程軟件和模塊化硬件結(jié)合在一起，建立起具有靈活性的基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量與控制應(yīng)用方案，最終構(gòu)建起滿足自己需求的系統(tǒng)。系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：計(jì)算機(jī)，LabVIEW，數(shù)據(jù)采集卡，溫度傳感電路，加熱控制電路。溫度信號(hào)由傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的LabVIEW程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將結(jié)果由計(jì)算機(jī)顯示出來(lái)，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出控制信號(hào)給外部加熱控制電路，達(dá)到測(cè)量與控制溫度的作用。

其中數(shù)據(jù)采集卡Lap-PC-1200是一種低廉的， 在計(jì)算機(jī)上使用的板卡。它可以采集模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)，擁有定時(shí)器的功能，同時(shí)還具有模擬輸出的功能。該數(shù)據(jù)采集卡具有高性能的數(shù)據(jù)采集與控制能力，可用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，生產(chǎn)測(cè)試，以及工業(yè)監(jiān)視和控制。

我們主要使用的是該卡的模擬輸入與模擬輸出的功能。Lab-PC-1200數(shù)據(jù)采集卡具有八個(gè)模擬輸入通道，兩個(gè)模擬輸出通道。

八個(gè)模擬輸入通道ACH0-ACH7，其內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器是12bit逐步逼近式，你可以將其設(shè)定為八個(gè)單端信號(hào)輸入方式或四個(gè)差動(dòng)信號(hào)輸入方式。該卡具有三種不同的模擬輸入模式：RSE，NRSE，DIFF輸入模式。我們?cè)O(shè)置的是RSE輸入模式，RSE輸入模式是指所有輸入信號(hào)都是參考公共地AGND（公共地在這里是指模擬輸入地）。Lab-PC-1200的模擬輸入還可以選擇單極性或雙極性。選擇單極性，輸入電壓范圍為0 to 10 V，0V 對(duì)應(yīng) 0 hex，而10 V 對(duì)應(yīng) FFF hex（4095 decimal）。選擇雙極性，輸入電壓范圍為-5 to +5 V。我們?cè)O(shè)置模擬輸入為單極性。

兩個(gè)模擬輸出通道DAC0OUT與DAC1OUT，你可以設(shè)置模擬輸出通道為單極性或雙極性輸出。單極性輸出范圍為0 to 10 V，數(shù)值范圍為0 to 4095 （0 to FFF hex）。雙極性輸出范圍為 -5 to +5 V，數(shù)值范圍為-2048 to 2047 （F800 hex to 7FF hex）。我們?cè)O(shè)置的是模擬輸出為單極性。刷新模擬輸出的電壓，這共有兩種方式：一種叫立即刷新模式（immediate update mode），當(dāng)你一有數(shù)據(jù)寫入數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）時(shí)，其輸出電壓就刷新。另一種叫延遲刷新模式（delayed update mode），只有探測(cè)到計(jì)數(shù)器A2或EXTUPDATE是低電平時(shí)，其輸出才會(huì)開(kāi)始刷新。我們?cè)O(shè)置的是立即刷新模式。DAC0OUT對(duì)應(yīng)模擬輸出通道0，DAC1OUT對(duì)應(yīng)模擬輸出通道1。AGND是這兩個(gè)模擬輸出端的參考地［2］。

PMT的溫度測(cè)量

光子計(jì)數(shù)器PMT在半導(dǎo)體制冷片的作用下，溫度大約是5OC 。其溫度測(cè)量電路如圖2所示

電路中，AD590集成溫度傳感器，它是一種恒流輸出的二端溫度器件，其內(nèi)部是經(jīng)過(guò)修正校準(zhǔn)的控制電流源，其輸出電流與絕對(duì)溫度成正比，即

（1）

式中［i］k［/i］為溫度系數(shù)

（2）

AD590使用電壓范圍是DC4-30V，在此電壓范圍內(nèi)，環(huán)境溫度在-55-150［i］℃ ［/i］變化時(shí)輸出電流與溫度具有良好的線性關(guān)系。MC1403的基準(zhǔn)電壓源，輸出為2.5V，調(diào)整可變電阻W1使I2= 273.2［i］m［/i］A，則（3）

DAQ模擬輸入端ACH1（AI2）的輸入電壓即為

（4）

我們?cè)O(shè)置模擬輸入為RSE模式，單極性，則其輸入電壓范圍為0 to 10 V，同時(shí)設(shè)置其內(nèi)部放大系數(shù)為10，則其輸入電壓范圍變?yōu)? to 999.756 mV。

（5）

U為L(zhǎng)abVIEW程序中讀取到的模擬輸入量，由式（5）可推出：

（6）

由于溫度傳感器，放大器，基準(zhǔn)電壓源和電阻都會(huì)存在一定的偏差，因此我們使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)來(lái)定標(biāo)，最后將式（6）調(diào)整為：

（7）

由于模擬輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辯率為12-bit，則可以從式（7）推出溫度的最小分辯值：△t=8.06%26;#215;△U=8.06%26;#215;（10/4095）≈0.02，0.02OC符合系統(tǒng)要求。 反應(yīng)室的溫度測(cè)控

反應(yīng)室內(nèi)部裝有加熱棒和溫度傳感器（熱敏電阻），它們接到溫度測(cè)控電路，由計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)精確控溫。溫度測(cè)控電路如圖3所示。

電路中，RL為加熱棒；Rt為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻；MOC3021為光耦；Z0409MF為可控硅；Date Acquisition Board （DAQ）是數(shù)據(jù)采集卡Lab-PC-1200， AO、AI和GND分別是它的模擬輸出端、模擬輸入端和接地端。其中數(shù)據(jù)采集卡Lab-PC-1200的配置如下：模擬輸入為RSE模式，單極性，則其輸入電壓范圍為0 to 10 V；模擬輸出為單極性，立即刷新模式。模擬輸入通道選擇ACH0，模擬輸出通道選擇DAC0OUT，模擬地AGND。

電路的工作過(guò)程可分為：溫度信號(hào)產(chǎn)生與處理，溫度控制信號(hào)生成與輸出。

1、溫度信號(hào)產(chǎn)生與處理

溫度信號(hào)由測(cè)溫電路產(chǎn)生。測(cè)溫電路由R3、Rt、及DC+5V電源組成。Rt為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其阻值與絕對(duì)溫度的關(guān)系為

（8）

上式中B、C為常數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同溫度下熱敏電阻阻值，把lnRT和絕對(duì)溫度T進(jìn)行線性擬合，得B=4206.96 C=-10.23 。由式（8）得絕對(duì)溫度與熱敏電阻阻值的關(guān)系為：

（9）

把絕對(duì)溫度換為攝氏溫度得

（10）

50%26;#176;C時(shí)，熱敏電阻阻值為16.20KW，為在50%26;#176;C左右得到最大靈敏度，選取分壓電阻R3為16.20KW。由電路，已知熱敏電阻為

（11）

上式中［i］U［/i］為熱敏電阻分壓。由式（10），（11）即可得到溫度t 電壓信號(hào)U由Lab-PC-1200的模擬輸入通道ACH0（引腳1）讀入計(jì)算機(jī)，再由LabVIEW程序計(jì)算得到溫度值t。

2、溫度控制信號(hào)生成與輸出

該部分功能由程序控制數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。熱敏電壓U由模擬輸入通道ACH0（引腳1）引入數(shù)據(jù)采集卡，在程序中通過(guò)公式（10）（11）便可算出溫度t，將t與設(shè)定溫度t0進(jìn)行比較，其中a與b為百分系數(shù)

? ? ??（12）

如占空比大于或等于1，則表明溫度還沒(méi)有接近設(shè)定溫度，需全程加熱，數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端AO輸出全為高電平（電壓5V）。如占空比小于1，數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端AO輸出方波中的高電平的時(shí)間與方波周期之比和占空比相等。根據(jù)加熱棒的加熱能力，反應(yīng)室的散熱情況，可適當(dāng)調(diào)整百分系數(shù)a和b，使得當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，反應(yīng)室吸收的熱量與散發(fā)的熱量相等，從而反應(yīng)室溫度處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡。

在數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端AO輸出的一個(gè)方波周期內(nèi)，輸出為高電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，R2上有分壓，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，加熱棒工作，使反應(yīng)室溫度升高。AO端輸出為低電平時(shí)，光耦不導(dǎo)通，可控硅也不導(dǎo)通，加熱棒不工作。

以上過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，使反應(yīng)室緩慢逼近設(shè)定溫度，避免了由于熱慣性太大而造成的溫度波動(dòng)。該控溫系統(tǒng)可使反應(yīng)室溫度穩(wěn)定在室溫到70°C的任意溫度，溫度波動(dòng)小于0.5°C，保證了實(shí)驗(yàn)所需的溫度條件?？販爻绦蚴窃贚abVIEW平臺(tái)上編寫的，界面生動(dòng)直觀，操作方便。

鉬轉(zhuǎn)換室溫度測(cè)控系統(tǒng)基本與反應(yīng)室的相同，該系統(tǒng)可以使鉬轉(zhuǎn)換室溫度穩(wěn)定在室溫到370°C之間的任意溫度，溫度波動(dòng)小于1°C，滿足系統(tǒng)的要求。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文使用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的多路溫度測(cè)控系統(tǒng)，已在大氣氮氧化物化學(xué)發(fā)光法分析儀上應(yīng)用，該系統(tǒng)精度較高，溫度波動(dòng)較小。在系統(tǒng)組建過(guò)程中，由于利用了圖形化編程軟件和數(shù)據(jù)采集卡，大大縮短了系統(tǒng)組建時(shí)間，且又較經(jīng)濟(jì)。并且為多路測(cè)控系統(tǒng)的研究提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

責(zé)任編輯：gt