水分测定电子天平关键技术研究

　　1　引言

　　水分含量是决定物质物理化学特性的重要指标,其准确测定具有重要意义。对粮食、食品、烟叶等固体试样水分测量的标准方法是烘干失重法,俗称经典法。其测量原理为:将重量为W1的试样用电热烘箱按规定的温度或时间烘干,若烘干后的重量为W∞,则试样含水量W=(W1-W∞)/W1×100%。烘干失重法测量准确,但耗电费时,一次测量需2~3小时。烘干后的试样在冷却和称量的过程中还会吸收空气中的水分,引起测量误差。现有的一些快速测量方法,如电导法、电容法、微波法、红外法、中子法等,均属对水分含量的间接测量,虽然测量速度快,但都存在干扰大、测量准确度不高等缺点,不能作为仲裁依据。测量准确性和测量速度的矛盾,一直是长期困扰水分检测领域的技术问题。

　　为此,研制了一种新型水分测定电子天平。这种仪器将电子天平与红外烘箱结为一体,利用红外辐射加速试样干燥,实现水分快速检测。但由于仪器本身具有高温热源,抑制水分测定电子天平因温度及工作环境变化而造成的温漂与时漂,是实现水分快速、准确测量必须解决的关键问题。文中分析了红外辐射烘干机理,研究了加速试样干燥的方法,给出了抑制水分测定电子天平的温漂与时漂的硬、软件方法。

　　2　水分测定电子天平的工作原理

　　水分测定电子天平主要由红外烘箱、温度传感器、PID温度控制、信号调理电路、电磁力平衡机构、A/D转换器、单片机、LCD显示器、打印与通讯接口等部分组成。其结构原理如图1所示。

　　整个水分测定过程由单片机控制。红外烘干箱内的温度传感器1将温度信号送入单片机,单片机根据键盘设定温度及实测温度,通过PID控温电路实现对烘箱的精确控温。同时经光电转换及电阻采样,电磁力平衡传感器将被测试样质量转换为电信号,并通过信号调理电路后送入A/D转换器。由单片机给出显示、打印或向上位机输出测量结果。

　　水分测定电子天平称量范围0~100 g,感量为0·001 g,允许误差为0·002 g。质量称量原理为:秤盘加载前,磁力平衡传感器处于平衡状态,发光二极管D1的光被遮光片完全挡住,光敏电池D2的输出电压为0。秤盘加载后,电磁力平衡传感器的可动部分带动遮光片发生位移,从而使光敏电池D2产生电压输出信号,该电压信号经PID调节,产生一个逐渐增大的电流I并流经动圈及取样电阻。载流动圈在永磁体的磁场作用下,将产生向上的力F,使电磁力平衡传感器的可动部分向上移动,力F逐渐增大直至可动部分回到初始平衡的位置,光敏电池D2的输出电压为0。此时,电流I正比于被称试样质量m,可得: