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    基于LabVIEW的多路儀器溫度測控系統

    2007-02-02 國外電子測量技術

    摘要: 介紹利用圖形化編程軟件LabVIEW和數據采集卡Lab-PC-1200構建多路儀器溫度測控系統的方法和技術及應用實例,研究了多路溫度測控系統的性能和精度情況。 
    關鍵詞:溫度測控   虛擬儀器    多路系統 

    引言
       我們開發氮氧化物化學發光法分析儀時,整個系統有三處需要溫度測控:反應室,鉬轉換室,光子計數器PMT。反應室中的溫度對化學反應(一氧化氮與臭氧反應)有一定的影響,我們要找到最佳溫度,使反應效率最大。鉬轉換室的溫度影響二氧化氮轉換為一氧化氮的效率,因此也需要效率最大時的溫度。溫度測量與控制的要求是:反應室的測控溫度范圍為:30—70OC,波動:±0.5 OC;鉬轉換室的測控范圍為:250—370 OC,波動:±3 OC。光子計數器PMT受溫度的影響很大,溫度越高光子計數器PMT的暗計數越高。在對光子計數器PMT制冷的同時,對它的溫度也進行監視,以確定其是在低溫(約5OC)環境下工作。系統要求測溫精度為0.05OC。

        為保證系統要求,縮短系統開發時間,我們采用了美國國家儀器公司(National Instruments)的圖形化編程軟件系統LabVIEW和數據采集卡Lab-PC-1200,構建了分析儀的整個溫度測控系統。在構建系統過程中,解決了數據采集卡的多路測量與輸出控制的問題,在一定的硬件條件下,優化程序進一步提高系統測控性能。對于基于虛擬儀器構建多路測控系統進行了初步的探討。

    溫度測控系統組成

        該系統將計算機,強大的圖形化編程軟件和模塊化硬件結合在一起,建立起具有靈活性的基于計算機的測量與控制應用方案,最終構建起滿足自己需求的系統[1]。系統由以下幾個部分組成:計算機,LabVIEW,數據采集卡,溫度傳感電路,加熱控制電路。溫度信號由傳感器轉換為電壓信號,再經數據采集卡進入計算機,在計算機上運行的LabVIEW程序對輸入的數據進行分析處理,將結果由計算機顯示出來,同時通過數據采集卡輸出控制信號給外部加熱控制電路,達到測量與控制溫度的作用。 

    文本框: 溫度測控對象文本框: 數據采集卡 

         其中數據采集卡Lap-PC-1200是一種低廉的, 在計算機上使用的板卡。它可以采集模擬信號,數字信號,擁有定時器的功能,同時還具有模擬輸出的功能。該數據采集卡具有高性能的數據采集與控制能力,可用于實驗室測試,生產測試,以及工業監視和控制。

        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數據采集卡具有八個模擬輸入通道,兩個模擬輸出通道。

        八個模擬輸入通道ACH0-ACH7,其內部模數轉換器是12bit逐步逼近式,你可以將其設定為八個單端信號輸入方式或四個差動信號輸入方式。該卡具有三種不同的模擬輸入模式:RSE,NRSE,DIFF輸入模式。我們設置的是RSE輸入模式,RSE輸入模式是指所有輸入信號都是參考公共地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 對應 0 hex,而10 V 對應 FFF hex(4095 decimal)。選擇雙極性,輸入電壓范圍為-5 to +5 V。我們設置模擬輸入為單極性。

        兩個模擬輸出通道DAC0OUT與DAC1OUT,你可以設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,數值范圍為0 to 4095 (0 to FFF hex)。雙極性輸出范圍為 -5 to +5 V,數值范圍為-2048 to 2047 (F800 hex to 7FF hex)。我們設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),當你一有數據寫入數模轉換器(DAC)時,其輸出電壓就刷新。另一種叫延遲刷新模式(delayed update mode),只有探測到計數器A2或EXTUPDATE是低電平時,其輸出才會開始刷新。我們設置的是立即刷新模式。DAC0OUT對應模擬輸出通道0,DAC1OUT對應模擬輸出通道1。AGND是這兩個模擬輸出端的參考地[2]

    PMT的溫度測量

         光子計數器PMT在半導體制冷片的作用下,溫度大約是5OC 。其溫度測量電路如圖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,其內部是經過修正校準的控制電流源,其輸出電流與絕對溫度成正比,即

                                     (1)

    式中k為溫度系數,

                                  (2)

        AD590使用電壓范圍是DC4-30V,在此電壓范圍內,環境溫度在-55-150變化時輸出電流與溫度具有良好的線性關系。MC1403的基準電壓源,輸出為2.5V,調整可變電阻W1使I2= 273.2mA,則

                (3)

    DAQ模擬輸入端ACH1(AI2)的輸入電壓即為

                          (4)

        我們設置模擬輸入為RSE模式,單極性,則其輸入電壓范圍為0 to 10 V,同時設置其內部放大系數為10,則其輸入電壓范圍變為0 to 999.756 mV。

                              (5)

    U為LabVIEW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,基準電壓源和電阻都會存在一定的偏差,因此我們使用一個標準溫度計來定標,最后將式(6)調整為:

                                    (7)

        由于模擬輸入的模數轉換的分辯率為12-bit,則可以從式(7)推出溫度的最小分辯值:△t=8.06×△U=8.06×(10/4095)≈0.02,0.02OC符合系統要求。

      反應室的溫度測控

     

        反應室內部裝有加熱棒和溫度傳感器(熱敏電阻),它們接到溫度測控電路,由計算機控制實現精確控溫。溫度測控電路如圖3所示。

        電路中,RL為加熱棒;Rt為負溫度系數熱敏電阻;MOC3021為光耦;Z0409MF為可控硅;Date Acquisition Board (DAQ)是數據采集卡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。其中數據采集卡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。

        電路的工作過程可分為:溫度信號產生與處理,溫度控制信號生成與輸出。

    1溫度信號產生與處理

        溫度信號由測溫電路產生。測溫電路由R3、Rt、及DC+5V電源組成。Rt為負溫度系數熱敏電阻,其阻值與絕對溫度的關系為

                                  (8)

        上式中B、C為常數。實驗測得不同溫度下熱敏電阻阻值,把lnRT和絕對溫度T進行線性擬合,得B=4206.96      C=-10.23 。由式(8)得絕對溫度與熱敏電阻阻值的關系為:

                        (9)

        把絕對溫度換為攝氏溫度得

               (10)

        50°C時,熱敏電阻阻值為16.20KW,為在50°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U為熱敏電阻分壓。由式(10),(11)即可得到溫度t

        電壓信號U由Lab-PC-1200的模擬輸入通道ACH0(引腳1)讀入計算機,再由LabVIEW程序計算得到溫度值t,

    2溫度控制信號生成與輸出

        該部分功能由程序控制數據采集卡和計算機實現。熱敏電壓U由模擬輸入通道ACH0(引腳1)引入數據采集卡,在程序中通過公式(10)(11)便可算出溫度t,將t與設定溫度t0進行比較,其中a與b為百分系數

                               (12)


        如占空比大于或等于1,則表明溫度還沒有接近設定溫度,需全程加熱,數據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,數據采集卡的模擬輸出端AO輸出方波中的高電平的時間與方波周期之比和占空比相等。根據加熱棒的加熱能力,反應室的散熱情況,可適當調整百分系數a和b,使得當溫度達到設定溫度時,反應室吸收的熱量與散發的熱量相等,從而反應室溫度處于一個動態的平衡。

         在數據采集卡的模擬輸出端AO輸出的一個方波周期內,輸出為高電平時,光耦導通,R2上有分壓,觸發可控硅導通,加熱棒工作,使反應室溫度升高。AO端輸出為低電平時,光耦不導通,可控硅也不導通,加熱棒不工作。

        以上過程循環進行,使反應室緩慢逼近設定溫度,避免了由于熱慣性太大而造成的溫度波動。該控溫系統可使反應室溫度穩定在室溫到70°C的任意溫度,溫度波動小于0.5°C,保證了實驗所需的溫度條件。控溫程序是在LabVIEW平臺上編寫的,界面生動直觀,操作方便。

    5 溫度測控系統操作界面


        鉬轉換室溫度測控系統基本與反應室的相同,該系統可以使鉬轉換室溫度穩定在室溫到370°C之間的任意溫度,溫度波動小于1°C,滿足系統的要求。

    5.結束語

        本文使用虛擬儀器技術構建的多路溫度測控系統,已在大氣氮氧化物化學發光法分析儀上應用,該系統精度較高,溫度波動較小。在系統組建過程中,由于利用了圖形化編程軟件和數據采集卡,大大縮短了系統組建時間,且又較經濟。并且為多路測控系統的研究提供了實踐經驗。

    參考文獻

    [1]   LabVIEW User Manual,        National Instruments,     1998
    [2]   Lab-PC-1200/AI User Manual,    National Instruments,     1998




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