一种基于时间最优-PID温度控制的水分测定电子天平

　　水分是决定产品质量和工艺的基本参数，水分含量的准确测定是产品质量的重要保证。目前诸多行业水分测定标准方法(仲裁依据)是烘干失重法，即将重量为 W1的试样按规定时间和温度烘干，烘干后失重设为 W∞，则含水率为：

　　该方法直接测出水分蒸发量，称直接法，又称经典法。该方法需要使用分析天平和电烘箱，操作繁琐，而且由于电烘箱的温度波动较大，容易损坏样品。

　　本文以 DSP 为信息处理单元，将电子天平与红外干燥箱融为一体，并将时间最优控制和 PID 控制相结合，设计了一种基于 DSP 的新型水分测定电子天平，采用时间最优控制和 PID 控制相结合的控制策略对烘箱温度进行实时控制，这样既可发挥时间最优控制快速消除大偏差的优点，又能发挥 PID 控制精度高、超调小的优点。

　　1 测试机理与结构设计

　　本文采用 TMS320LF2407A 的 DSP 作为信息处理单元，设计了一种基于 DSP 的新型水分测定电子天平,如图 1 所示。

　　电磁力平衡传感器将被测质量转换成电信号输出至放大电路，变成 0~5V 直流电压信号，经 A/D 转换送DSP 处理，显示、打印或语音输出测量结果。

　　红外干燥箱内的热敏元件通过测温电路和 A/D 转换随时向 DSP 提供温度测量信息。DSP 根据键盘设定温度和烘箱内实测温度进行 PWM 控制，通过可控硅调功电路实现。

　　1.1 红外辐射干燥机理

　　红外辐射烘干法的干燥机理仍基于经典法，用电阻式烘箱，试样中水分的蒸发主要靠热传导，失水速度慢，测量效率低。而红外法、微波法的加热方式可直接从物质内部加热，大大缩短了烘干时间，而且还具有清洁、无附件、安装方便等优点，因此在烘干加热领域得到了广泛的应用。

　　由于微波加热方式一般功率较大，难以控制，而且可能导致辐射泄漏，因此本文设计的新型水分快速测定电子天平采用了红外辐射加热方式加速样品烘干。

　　1.2 质量称量原理

　　水分测定电子天平质量称量范围为 0~300g，感量为 0.001g。称重前，杠杆平衡，遮光板处于零位，加待称重物后，杠杆失去平衡，带动遮光板偏离零位，零位检测差分光电二极管输出的差分电压信号不为零;该信号经放大送入 PID 调节电路;PID 调节信号送入动圈的驱动电路，改变动圈中的电流，使得杠杆向平衡方向运动;同时，差分光电二极管的输出信号减小，但由于 PID 调节环节的存在，调节信号继续增大，直到杠杆回到平衡位置，遮光板回到零位。质量称量信号经放大、滤波、A/D 转换后送入 DSP 信息处理单元进行后续处理。