差热分析仪计算机控温系统研究

　　1　引言

　　差热分析(DTA)是利用不同物质高温反应的吸放热效应来判断其内在变化,是材料分析的重要手段之一。差热分析仪就是用于差热分析的仪器,其核心是对温度的测量与控制。本设备采用微机对反应炉温度进行控制,微机对炉温的控制采用了直接数字控制方式(DDC),而对炉温的调节和运算则采用了PID方式,微机同时对差热信号进行自动分析与处理。本文仅对控温系统加以讨论。

　　2　差热分析仪的结构及工作原理

　　差热分析仪主要由反应炉、信号放大电路、数据采集卡、微机系统、打印机以及激励电路等组成,微型计算机是整个系统的控制中心和数据处理中心。其基本原理如图1所示。

　　测试系统利用双铂铑型热电偶检测炉温、试样温度和参比物温度。热电偶小温度信号经放大后,通过多通道模拟开关送至数据采集卡,由数据采集卡进行A/D转换后,再送入计算机中。计算机一方面对反应物和参比物温度进行处理,一方面根据连续若干次测的炉温和预先设定的升温速率,计算机按照PID算法计算出控制量,在计算机控制下,由激励电路产生任意占空比矩型波,控制固态交流继电器导通与否,从而控制反应炉温度的变化。

　　3　硬件的设计

　　系统的硬件电路按信号的传输方向可分为输入通道和输出通道两部分。输入通道由热电偶、热电势放大电路、A/D转换电路组成。3路信号共用一个A/D转换器,由模拟多路开关切换。输出电路主要由I/O接口和激励电路组成。

　　3·1　信号放大电路

　　由于用于温度检测的热电偶的热电势信号很弱,因此必须对信号进行放大处理,信号放大电路原理图如图2所示。

　　图中,增加了一个歇火电路(主要用于检测热电偶是否断线),如图中的R1,它的阻值较大,而热电偶正常工作时电阻值很小,几微安的电流基本不会产生电压。但如果断线,前置放大器就会饱和并输出高电压,经A/D转换后输出一定值,以此值作为断线值,对热电偶断线进行判断。

　　3·2　激励电路

　　本系统采用Z型交流固态继电器SSR,利用交流调功方式进行控温,即在固定周期内,控制交流正弦电流半波个数,从而达到调功控温目的,激励电路由软件控制。

　　激励电路围绕8253芯片设计。利用8253的3个计数器灵活方便的工作方式设置,产生任意占空比矩形波,控制固态继电器(SSR)的导通与否(计数器COUNT0的初值决定SSR的导通时间,计数器COUNT1的初值决定不导通时间),从而实现反应炉温度的数字PID控制。激励电路原理图如图3所示。