虚拟仪器环境下热分析仪器系统开发

　　1　引　言

　　热分析通常是指应用热力学参数随温度变化的关系进行分析的方法。热分析技术已有50多年历史,但近20年来随着计算机的应用使热分析技术飞跃发展,上升到新的台阶。它不仅为数据处理带来极大便利,快速、准确地给出测定结果,而且使仪器的程控和操作运行质量大大提高,应用范围更广。

　　因此,开发新的、高性能的热分析仪器的测试单元以及数据处理系统,是解决目前国内热分析仪器落后的好出路。虚拟仪器技术是新一代仪器技术,在该环境下便于构造和植入特定的模型和规则,便于实现信息分析和应用的集成与共享[1]。因此,利用虚拟仪器技术改造传统热分析仪器系统的数据采集、数据处理的软件系统部分,不仅拓宽了微电子技术的应用领域,为材料分析技术提供高性能、高精度、高效率和高质量的有力保障,还为发展虚拟技术的应用开发打下新的基础。

　　2　硬件结构

　　硬件结构包括采样器、数据采集系统、热分析仪器主机三大部分。采样器是热分析仪器的传感部分,当试样边发生重量变化时,天平梁开始轻微倾斜,此时,光学检测发生位移,驱动平衡线圈电流发生改变使位移恢复到零位。检测驱动平衡线圈电流的变化即正比于试样重量变化,作为热重(TG)信号输出。差热分析(DTA)是检测试样边支持皿和参比边支持皿之间的温度差(ΔT),以放在两支持皿下的热电偶的电动势(ΔE)输出作为DTA信号。通过采集炉体内壁热电偶电动势(TE)的变化则可作为炉内加热温度信号的输出。数据采集系统由模拟多路开关、温度变送器、A/D转换器及12位单片机组成,并通过单片机提供的串行通讯接口与计算机数据采集存储系统相连。硬件部分的关键是开发数据转换接口,其作用是对那些以模拟信号电压输出的数据信号进行数据转换,让其具备RS-232串行输入输出口的功能。硬件的组成如图1所示。

　　3　软件系统

　　利用虚拟仪器技术的特点,开发本系统时,主要在以下三个方面改进与提升了热分析系统的测试特性。

　　(1)数据分析处理。

　　利用菜单与控键结合,能同时给出加热温度、热重、差热等数据处理结果与曲线。针对热分析数据曲线的特点,采用LabVIEW信号处理技术与图像显示的优势,采用了多种数学模型对数据进行处理及曲线显示与打印。

　　DTA可用数学表达式ΔT = Ts-Tr= f(t)表示,其中样品温度Ts来自于直接测量的样品温度传感器,而参比温度Tr来自于经修正的测试炉温度Tc,可表示为Tr= Tc-β·τlag(其中,β是升温速　　率,τlag是时间滞后函数)。对差热曲线提供的信息作进一步分析的方法,归结起来,主要有峰的位置、峰的面积、峰的形状和个数等。通过峰的起始温度可以反映出热效应的温度,通过峰的方向则可体现出热效应种类。在DTA测定中,DTA曲线上峰面积与热效应或反应物的质量间不是简单的正比关系,DTA峰面积与相应过程热效应关系的Speil公式为[2]: