基于DSP的新型水分测定仪

0　引言

    目前,水分检测主要方法有:烘干失重法、化学法、电测法和射线法等。除易燃、易爆、易挥发物质外,绝大部分物质水分检测的标准方法(仲裁依据)是烘干失重法,即105℃恒重法和130℃定温定时烘干法,俗称经典方法[1]。传统的烘干失重法测量范围宽,精度高,但耗时长、操作不便;化学法(卡尔·费歇尔法)只适合少量或微量水分的测定,且手续繁琐、周期长,使用试剂有毒性;电测法和射线法等水分测定方法测量速度快,但测量精度普遍较低,不能作为标准方法和仲裁依据。针对以上缺陷,设计了基于DSP的水分测定仪,它采用烘干失重法原理,利用红外石英加热管作为热源,将红外干燥箱与电子天平有机结合在一起,大大方便了仪器的操作,减少了误差,缩短了样品烘干时间。仪器采用DSPTMS320LF2407作为CPU,利用其强大的运算功能和灵活的控制功能,实现了各种数据的实时处理和仪器各部分的有效控制,为通过算法进一步实现快速、准确的水分测定提供了可能[2]。

1　仪器的工作原理

    水分测定仪以DSP作为CPU,主要包括电子天平、干燥箱、LCD、键盘、打印机、通信接口等部分。DSP作为整个系统的核心,完成干燥箱温度采集和温度控制、样品质量称量、样品水分含量的计算、LCD显示、打印控制、与PC机通信及各种自检、自校正和故障自诊断等; CPLD作为整个系统的逻辑电路;系统设有150℃超温保护电路,当干燥箱温度超过150℃时,保护电路工作,断开加热电源。

1·1　水分测定原理

    仪器采用烘干失重法测定试样的水分含量。烘干失重法是指某种试样在外界条件作用下,将水分分离出来,使本身质量减少,根据减少量测定水分含量的一种方法,即

    式中:X为水分百分比含量;m0为被测试样干燥前的质量;m∞为被测试样干燥后的质量。

1·2　质量称量原理

    质量称量原理如图1所示。秤盘加载前,电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,硅光电池D2的输出电压为0。秤盘加载后,质量为m的试样产生的重力G使电磁力平衡传感器的可动部分带动遮光片发生位移,遮光片的位移使硅光电池D2接收到D1的光照,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流经动圈,载流动圈在永磁体的磁场作用下产生向上的反馈作用力F.由于PID积分环节的存在,流经动圈的电流I逐渐增大,力F也逐渐增大直至可动部分回到初始平衡的位置[3],此时

    式(4)为电子天平质量称量的数学模型。质量称量信号经样品质量采集(A/D转换),将数据输入DSP做进一步处理。