基于LabVIEW的多路儀器溫度測控系統(tǒng)

摘要： 介紹利用圖形化編程軟件LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡Lab-PC-1200構(gòu)建多路儀器溫度測控系統(tǒng)的方法和技術(shù)及應(yīng)用實例，研究了多路溫度測控系統(tǒng)的性能和精度情況。 
關(guān)鍵詞：溫度測控   虛擬儀器    多路系統(tǒng) 

引言
   我們開發(fā)氮氧化物化學(xué)發(fā)光法分析儀時，整個系統(tǒng)有三處需要溫度測控：反應(yīng)室，鉬轉(zhuǎn)換室，光子計數(shù)器PMT。反應(yīng)室中的溫度對化學(xué)反應(yīng)（一氧化氮與臭氧反應(yīng)）有一定的影響，我們要找到最佳溫度，使反應(yīng)效率最大。鉬轉(zhuǎn)換室的溫度影響二氧化氮轉(zhuǎn)換為一氧化氮的效率，因此也需要效率最大時的溫度。溫度測量與控制的要求是：反應(yīng)室的測控溫度范圍為：30—70^OC，波動：±0.5 ^OC；鉬轉(zhuǎn)換室的測控范圍為：250—370 ^OC，波動：±3 ^OC。光子計數(shù)器PMT受溫度的影響很大，溫度越高光子計數(shù)器PMT的暗計數(shù)越高。在對光子計數(shù)器PMT制冷的同時，對它的溫度也進(jìn)行監(jiān)視，以確定其是在低溫（約5^OC）環(huán)境下工作。系統(tǒng)要求測溫精度為0.05^OC。

    為保證系統(tǒng)要求，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，我們采用了美國國家儀器公司（National Instruments）的圖形化編程軟件系統(tǒng)LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡Lab-PC-1200，構(gòu)建了分析儀的整個溫度測控系統(tǒng)。在構(gòu)建系統(tǒng)過程中，解決了數(shù)據(jù)采集卡的多路測量與輸出控制的問題，在一定的硬件條件下，優(yōu)化程序進(jìn)一步提高系統(tǒng)測控性能。對于基于虛擬儀器構(gòu)建多路測控系統(tǒng)進(jìn)行了初步的探討。

溫度測控系統(tǒng)組成

    該系統(tǒng)將計算機(jī)，強(qiáng)大的圖形化編程軟件和模塊化硬件結(jié)合在一起，建立起具有靈活性的基于計算機(jī)的測量與控制應(yīng)用方案，最終構(gòu)建起滿足自己需求的系統(tǒng)^[1]。系統(tǒng)由以下幾個部分組成：計算機(jī)，LabVIEW，數(shù)據(jù)采集卡，溫度傳感電路，加熱控制電路。溫度信號由傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計算機(jī)，在計算機(jī)上運行的LabVIEW程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將結(jié)果由計算機(jī)顯示出來,同時通過數(shù)據(jù)采集卡輸出控制信號給外部加熱控制電路，達(dá)到測量與控制溫度的作用。 

 

     其中數(shù)據(jù)采集卡Lap-PC-1200是一種低廉的, 在計算機(jī)上使用的板卡。它可以采集模擬信號，數(shù)字信號，擁有定時器的功能，同時還具有模擬輸出的功能。該數(shù)據(jù)采集卡具有高性能的數(shù)據(jù)采集與控制能力，可用于實驗室測試，生產(chǎn)測試，以及工業(yè)監(jiān)視和控制。

    我們主要使用的是該卡的模擬輸入與模擬輸出的功能。Lab-PC-1200數(shù)據(jù)采集卡具有八個模擬輸入通道，兩個模擬輸出通道。

    八個模擬輸入通道ACH0-ACH7，其內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器是12bit逐步逼近式，你可以將其設(shè)定為八個單端信號輸入方式或四個差動信號輸入方式。該卡具有三種不同的模擬輸入模式：RSE，NRSE，DIFF輸入模式。我們設(shè)置的是RSE輸入模式，RSE輸入模式是指所有輸入信號都是參考公共地AGND（公共地在這里是指模擬輸入地）。Lab-PC-1200的模擬輸入還可以選擇單極性或雙極性。選擇單極性，輸入電壓范圍為0 to 10 V，0V 對應(yīng) 0 hex，而10 V 對應(yīng) FFF hex(4095 decimal)。選擇雙極性，輸入電壓范圍為-5 to +5 V。我們設(shè)置模擬輸入為單極性。

    兩個模擬輸出通道DAC0OUT與DAC1OUT，你可以設(shè)置模擬輸出通道為單極性或雙極性輸出。單極性輸出范圍為0 to 10 V，數(shù)值范圍為0 to 4095 (0 to FFF hex)。雙極性輸出范圍為 -5 to +5 V，數(shù)值范圍為-2048 to 2047 (F800 hex to 7FF hex)。我們設(shè)置的是模擬輸出為單極性。刷新模擬輸出的電壓，這共有兩種方式：一種叫立即刷新模式（immediate update mode），當(dāng)你一有數(shù)據(jù)寫入數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）時，其輸出電壓就刷新。另一種叫延遲刷新模式（delayed update mode）,只有探測到計數(shù)器A2或EXTUPDATE是低電平時，其輸出才會開始刷新。我們設(shè)置的是立即刷新模式。DAC0OUT對應(yīng)模擬輸出通道0，DAC1OUT對應(yīng)模擬輸出通道1。AGND是這兩個模擬輸出端的參考地^[2]。

PMT的溫度測量

     光子計數(shù)器PMT在半導(dǎo)體制冷片的作用下，溫度大約是5^OC 。其溫度測量電路如圖2所示

 

    電路中，AD590集成溫度傳感器，它是一種恒流輸出的二端溫度器件，其內(nèi)部是經(jīng)過修正校準(zhǔn)的控制電流源，其輸出電流與絕對溫度成正比，即

                                 （1）

式中k為溫度系數(shù)，

                              （2）

    AD590使用電壓范圍是DC4-30V，在此電壓范圍內(nèi)，環(huán)境溫度在-55-150℃ 變化時輸出電流與溫度具有良好的線性關(guān)系。MC1403的基準(zhǔn)電壓源，輸出為2.5V，調(diào)整可變電阻W₁使I₂= 273.2mA，則

            （3）

DAQ模擬輸入端ACH1(AI2)的輸入電壓即為

                      （4）

    我們設(shè)置模擬輸入為RSE模式，單極性，則其輸入電壓范圍為0 to 10 V，同時設(shè)置其內(nèi)部放大系數(shù)為10，則其輸入電壓范圍變?yōu)? to 999.756 mV。

                          （5）

U為LabVIEW程序中讀取到的模擬輸入量，由式（5）可推出：

                                  （6）

    由于溫度傳感器，放大器，基準(zhǔn)電壓源和電阻都會存在一定的偏差，因此我們使用一個標(biāo)準(zhǔn)溫度計來定標(biāo)，最后將式（6）調(diào)整為：

                                （7）

    由于模擬輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辯率為12-bit,則可以從式（7）推出溫度的最小分辯值：△t=8.06×△U=8.06×(10/4095)≈0.02,0.02^OC符合系統(tǒng)要求。

  反應(yīng)室的溫度測控

    反應(yīng)室內(nèi)部裝有加熱棒和溫度傳感器（熱敏電阻），它們接到溫度測控電路，由計算機(jī)控制實現(xiàn)精確控溫。溫度測控電路如圖3所示。

    電路中，R_L為加熱棒；R_t為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻；MOC3021為光耦；Z0409MF為可控硅；Date Acquisition Board （DAQ）是數(shù)據(jù)采集卡Lab-PC-1200, AO、AI和GND分別是它的模擬輸出端、模擬輸入端和接地端。其中數(shù)據(jù)采集卡Lab-PC-1200的配置如下：模擬輸入為RSE模式，單極性，則其輸入電壓范圍為0 to 10 V；模擬輸出為單極性，立即刷新模式。模擬輸入通道選擇ACH0，模擬輸出通道選擇DAC0OUT，模擬地AGND。

    電路的工作過程可分為：溫度信號產(chǎn)生與處理,溫度控制信號生成與輸出。

1溫度信號產(chǎn)生與處理

    溫度信號由測溫電路產(chǎn)生。測溫電路由R₃、Rt、及DC+5V電源組成。Rt為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其阻值與絕對溫度的關(guān)系為

                              （8）

    上式中B、C為常數(shù)。實驗測得不同溫度下熱敏電阻阻值，把lnR_T和絕對溫度T進(jìn)行線性擬合，得B=4206.96      C=-10.23 。由式（8）得絕對溫度與熱敏電阻阻值的關(guān)系為：

                    （9）

    把絕對溫度換為攝氏溫度得

           （10）

    50°C時，熱敏電阻阻值為16.20KW，為在50°C左右得到最大靈敏度，選取分壓電阻R₃為16.20KW。由電路，已知熱敏電阻為

                            （11）

    上式中U為熱敏電阻分壓。由式（10），（11）即可得到溫度t

    電壓信號U由Lab-PC-1200的模擬輸入通道ACH0（引腳1）讀入計算機(jī)，再由LabVIEW程序計算得到溫度值t,

2溫度控制信號生成與輸出

    該部分功能由程序控制數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)實現(xiàn)。熱敏電壓U由模擬輸入通道ACH0（引腳1）引入數(shù)據(jù)采集卡，在程序中通過公式（10）（11）便可算出溫度t,將t與設(shè)定溫度t₀進(jìn)行比較，其中a與b為百分系數(shù)

                           （12）

    如占空比大于或等于1，則表明溫度還沒有接近設(shè)定溫度，需全程加熱，數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端AO輸出全為高電平（電壓5V）。如占空比小于1，數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端AO輸出方波中的高電平的時間與方波周期之比和占空比相等。根據(jù)加熱棒的加熱能力，反應(yīng)室的散熱情況，可適當(dāng)調(diào)整百分系數(shù)a和b，使得當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，反應(yīng)室吸收的熱量與散發(fā)的熱量相等，從而反應(yīng)室溫度處于一個動態(tài)的平衡。

     在數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端AO輸出的一個方波周期內(nèi)，輸出為高電平時，光耦導(dǎo)通，R₂上有分壓，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，加熱棒工作，使反應(yīng)室溫度升高。AO端輸出為低電平時，光耦不導(dǎo)通，可控硅也不導(dǎo)通，加熱棒不工作。

    以上過程循環(huán)進(jìn)行，使反應(yīng)室緩慢逼近設(shè)定溫度，避免了由于熱慣性太大而造成的溫度波動。該控溫系統(tǒng)可使反應(yīng)室溫度穩(wěn)定在室溫到70°C的任意溫度，溫度波動小于0.5°C，保證了實驗所需的溫度條件。控溫程序是在LabVIEW平臺上編寫的，界面生動直觀，操作方便。

圖5 溫度測控系統(tǒng)操作界面

    鉬轉(zhuǎn)換室溫度測控系統(tǒng)基本與反應(yīng)室的相同，該系統(tǒng)可以使鉬轉(zhuǎn)換室溫度穩(wěn)定在室溫到370°C之間的任意溫度，溫度波動小于1°C，滿足系統(tǒng)的要求。

5.結(jié)束語

    本文使用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的多路溫度測控系統(tǒng)，已在大氣氮氧化物化學(xué)發(fā)光法分析儀上應(yīng)用，該系統(tǒng)精度較高，溫度波動較小。在系統(tǒng)組建過程中，由于利用了圖形化編程軟件和數(shù)據(jù)采集卡，大大縮短了系統(tǒng)組建時間，且又較經(jīng)濟(jì)。并且為多路測控系統(tǒng)的研究提供了實踐經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)

[1]   LabVIEW User Manual,        National Instruments,     1998
[2]   Lab-PC-1200/AI User Manual,    National Instruments,     1998