温度测控系统组成与温度信号产生与处理

我们开发氮氧化物化学发光法分析仪时，整个系统有三处需要温度测控：反应室，钼转换室，光子计数器 PMT。反应室中的温度对化学反应（一氧化氮与臭氧反应）有一定的影响，我们要找到最佳温度，使反应效率最大。钼转换室的温度影响二氧化氮转换为一氧化氮的效率，因此也需要效率最大时的温度。温度测量与控制的要求是：反应室的测控温度范围为：30—70OC，波动：±0.5 OC；钼转换室的测控范围为：250—370 OC，波动：±3 OC。光子计数器 PMT 受温度的影响很大，温度越高光子计数器 PMT 的暗计数越高。在对光子计数器 PMT 制冷的同时，对它的温度也进行监视，以确定其是在低温（约 5OC）环境下工作。系统要求测温精度为 0.05OC。

为保证系统要求，缩短系统开发时间，我们采用了美国国家仪器公司（National Instruments）的图形化编程软件系统 LabVIEW 和数据采集卡 Lab-PC-1200，构建了分析仪的整个温度测控系统。在构建系统过程中，解决了数据采集卡的多路测量与输出控制的问题，在一定的硬件条件下，优化程序进一步提高系统测控性能。对于基于虚拟仪器构建多路测控系统进行了初步的探讨。

温度测控系统组成

该系统将计算机，强大的图形化编程软件和模块化硬件结合在一起，建立起具有灵活性的基于计算机的测量与控制应用方案，最终构建起满足自己需求的系统。系统由以下几个部分组成：计算机，LabVIEW，数据采集卡，温度传感电路，加热控制电路。温度信号由传感器转换为电压信号，再经数据采集卡进入计算机，在计算机上运行的 LabVIEW 程序对输入的数据进行分析处理，将结果由计算机显示出来，同时通过数据采集卡输出控制信号给外部加热控制电路，达到测量与控制温度的作用。

其中数据采集卡 Lap-PC-1200 是一种低廉的， 在计算机上使用的板卡。它可以采集模拟信号，数字信号，拥有定时器的功能，同时还具有模拟输出的功能。该数据采集卡具有高性能的数据采集与控制能力，可用于实验室测试，生产测试，以及工业监视和控制。

我们主要使用的是该卡的模拟输入与模拟输出的功能。Lab-PC-1200 数据采集卡具有八个模拟输入通道，两个模拟输出通道。

八个模拟输入通道 ACH0-ACH7，其内部模数转换器是 12bit 逐步逼近式，你可以将其设定为八个单端信号输入方式或四个差动信号输入方式。该卡具有三种不同的模拟输入模式：RSE，NRSE，DIFF 输入模式。我们设置的是 RSE 输入模式，RSE 输入模式是指所有输入信号都是参考公共地 AGND（公共地在这里是指模拟输入地）。Lab-PC-1200 的模拟输入还可以选择单极性或双极性。选择单极性，输入电压范围为 0 to 10 V，0V 对应 0 hex，而 10 V 对应 FFF hex（4095 decimal）。选择双极性，输入电压范围为 -5 to +5 V。我们设置模拟输入为单极性。

两个模拟输出通道 DAC0OUT 与 DAC1OUT，你可以设置模拟输出通道为单极性或双极性输出。单极性输出范围为 0 to 10 V，数值范围为 0 to 4095 （0 to FFF hex）。双极性输出范围为 -5 to +5 V，数值范围为 -2048 to 2047 （F800 hex to 7FF hex）。我们设置的是模拟输出为单极性。刷新模拟输出的电压，这共有两种方式：一种叫立即刷新模式（immediate update mode），当你一有数据写入数模转换器（DAC）时，其输出电压就刷新。另一种叫延迟刷新模式（delayed update mode），只有探测到计数器 A2 或 EXTUPDATE 是低电平时，其输出才会开始刷新。我们设置的是立即刷新模式。DAC0OUT 对应模拟输出通道 0，DAC1OUT 对应模拟输出通道 1。AGND 是这两个模拟输出端的参考地［2］。

PMT 的温度测量

光子计数器 PMT 在半导体制冷片的作用下，温度大约是 5OC 。其温度测量电路如图 2 所示

电路中，AD590 集成温度传感器，它是一种恒流输出的二端温度器件，其内部是经过修正校准的控制电流源，其输出电流与绝对温度成正比，即

（1）

式中［i］k［/i］为温度系数

（2）

AD590 使用电压范围是 DC4-30V，在此电压范围内，环境温度在 -55-150［i］℃ ［/i］变化时输出电流与温度具有良好的线性关系。MC1403 的基准电压源，输出为 2.5V，调整可变电阻 W1 使 I2= 273.2［i］m［/i］A，则（3）

DAQ 模拟输入端 ACH1（AI2）的输入电压即为

（4）

我们设置模拟输入为 RSE 模式，单极性，则其输入电压范围为 0 to 10 V，同时设置其内部放大系数为 10，则其输入电压范围变为 0 to 999.756 mV。

（5）

U 为 LabVIEW 程序中读取到的模拟输入量，由式（5）可推出：

（6）

由于温度传感器，放大器，基准电压源和电阻都会存在一定的偏差，因此我们使用一个标准温度计来定标，最后将式（6）调整为：

（7）

由于模拟输入的模数转换的分辩率为 12-bit，则可以从式（7）推出温度的最小分辩值：△t=8.06%26;#215;△U=8.06%26;#215;（10/4095）≈0.02，0.02OC 符合系统要求。 反应室的温度测控

反应室内部装有加热棒和温度传感器（热敏电阻），它们接到温度测控电路，由计算机控制实现精确控温。温度测控电路如图 3 所示。

电路中，RL 为加热棒；Rt 为负温度系数热敏电阻；MOC3021 为光耦；Z0409MF 为可控硅；Date AcquisiTIon Board （DAQ）是数据采集卡 Lab-PC-1200， AO、AI 和 GND 分别是它的模拟输出端、模拟输入端和接地端。其中数据采集卡 Lab-PC-1200 的配置如下：模拟输入为 RSE 模式，单极性，则其输入电压范围为 0 to 10 V；模拟输出为单极性，立即刷新模式。模拟输入通道选择 ACH0，模拟输出通道选择 DAC0OUT，模拟地 AGND。

电路的工作过程可分为：温度信号产生与处理，温度控制信号生成与输出。

1、温度信号产生与处理

温度信号由测温电路产生。测温电路由 R3、Rt、及 DC+5V 电源组成。Rt 为负温度系数热敏电阻，其阻值与绝对温度的关系为

（8）

上式中 B、C 为常数。实验测得不同温度下热敏电阻阻值，把 lnRT 和绝对温度 T 进行线性拟合，得 B=4206.96 C=-10.23 。由式（8）得绝对温度与热敏电阻阻值的关系为：

（9）

把绝对温度换为摄氏温度得

（10）

50%26;#176;C 时，热敏电阻阻值为 16.20KW，为在 50%26;#176;C 左右得到最大灵敏度，选取分压电阻 R3 为 16.20KW。由电路，已知热敏电阻为

（11）

上式中［i］U［/i］为热敏电阻分压。由式（10），（11）即可得到温度 t 电压信号 U 由 Lab-PC-1200 的模拟输入通道 ACH0（引脚 1）读入计算机，再由 LabVIEW 程序计算得到温度值 t。

2、温度控制信号生成与输出

该部分功能由程序控制数据采集卡和计算机实现。热敏电压 U 由模拟输入通道 ACH0（引脚 1）引入数据采集卡，在程序中通过公式（10）（11）便可算出温度 t，将 t 与设定温度 t0 进行比较，其中 a 与 b 为百分系数

（12）

如占空比大于或等于 1，则表明温度还没有接近设定温度，需全程加热，数据采集卡的模拟输出端 AO 输出全为高电平（电压 5V）。如占空比小于 1，数据采集卡的模拟输出端 AO 输出方波中的高电平的时间与方波周期之比和占空比相等。根据加热棒的加热能力，反应室的散热情况，可适当调整百分系数 a 和 b，使得当温度达到设定温度时，反应室吸收的热量与散发的热量相等，从而反应室温度处于一个动态的平衡。

在数据采集卡的模拟输出端 AO 输出的一个方波周期内，输出为高电平时，光耦导通，R2 上有分压，触发可控硅导通，加热棒工作，使反应室温度升高。AO 端输出为低电平时，光耦不导通，可控硅也不导通，加热棒不工作。

以上过程循环进行，使反应室缓慢逼近设定温度，避免了由于热惯性太大而造成的温度波动。该控温系统可使反应室温度稳定在室温到 70°C 的任意温度，温度波动小于 0.5°C，保证了实验所需的温度条件。控温程序是在 LabVIEW 平台上编写的，界面生动直观，操作方便。

钼转换室温度测控系统基本与反应室的相同，该系统可以使钼转换室温度稳定在室温到 370°C 之间的任意温度，温度波动小于 1°C，满足系统的要求。

5. 结束语

本文使用虚拟仪器技术构建的多路温度测控系统，已在大气氮氧化物化学发光法分析仪上应用，该系统精度较高，温度波动较小。在系统组建过程中，由于利用了图形化编程软件和数据采集卡，大大缩短了系统组建时间，且又较经济。并且为多路测控系统的研究提供了实践经验。
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