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上海跃进医疗器械有限公司精密低温恒温槽温度控制器

[导读]介绍用于上海跃进医疗器械有限公司精密低温恒温槽的温度控制器的构成原理、设计思想和相关技术问题。铂电阻温度采集采用极其简洁的平衡桥电路 ;2 4位∑ -Δ型A/D转换器AD771 4的应用保证了 0 0 0 1℃的测量分辨率。

介绍用于精密低温恒温槽的温度控制器的构成原理、设计思想和相关技术问题。铂电阻温度采集采用极其简洁的平衡桥电路 ;2 4位∑ -Δ型A/D转换器AD771 4的应用保证了 0 0 0 1℃的测量分辨率。软件中的对分搜索查表法使铂电阻测温不再存在T/R转换的非线性误差 , 并用软件进行了测量值的零点和满幅调整。仿人智能积分和分段PI控制策略、可控硅直接数字触发使温度波动小于± 0 0 0 4℃ / 30min。

精密低温恒温槽是高精度温度计检定装置, 它工作在0℃以上时用水作介质, 工作在0℃以下时用无水乙醇作介质。恒定执行机构由制冷机和加热器组成。恒温槽的温度设定值在室温以上时, 仅启动加热器加热;设定值在接近或低于室温时, 制冷机和加热器同时作用, 加热器的加热量, 用于对冲制冷机的作用, 以平衡温度到设定点上。国内外一些院校和科研机构研制的高精度低温恒温槽, 其控温精度一般达到了±0.005℃[5]。我们研制的ZHKY型恒温槽专用温度控制器, 采用了仿人智能积分和分段PI控制策略以及可控硅直接数字触发。仪器用于湖州自动化仪表厂生产的RTS-80A型高精度低温恒温槽上时, 在-80~+95℃范围内使恒温槽的温度波动度小于±0.004℃/30min, 超出了国家行业标准的要求。仪器中采用了24位∑-Δ型A/D转换器AD7714和一些软件设计技巧, 使测量值在具有高分辨率的同时, 基本消除了铂电阻测温时T/R转换的非线性。另外, 用软件方法进行测量值的零点和满幅调准, 使测量精度达到了0.02%。测量值和设定值各用6位LED数码管同时显示, 具有0.001℃的测量分辨率和设定分辨率。测量精度和控制精度都取得了令人满意的效果。下面是仪器中主要环节的原理介绍。

1温度采集和A/D转换

控制器的温度采集和模数转换电路如图1所示。图中RT是测温元件 (Pt100铂电阻) , 按三线制连接, 以消除连接导线对测量精度的影响, R0为100Ω的零位迁移电阻, 它们和R1、R2共同组成了平衡桥电路。


式中的VC为5V, 是桥路的电源电压, 它与模/数转换器的基准电压的分压电路共用, 所以VC的波动不会影响测量稳定性和测量精度。AD7714是带测量放大器的24位∑-Δ模数转换器, 它的基准参考源为2.5V, 从VC二分压而得, 图中R18与R19是分压电阻。取AD7714为双端输入, 在片测量放大器的放大增益系数为32时, 则AD7714的满量程输入值VINMAX为2.5V/32=±78mV。所以, 当VC=5V, RT=138.5Ω (Pt100铂电阻在100℃时的电阻值) , R0=100Ω (Pt100铂电阻在0℃时的电阻值) 和VIN=±78mV时, 可从上面式 (3) 的二次方程解得桥路电阻R的两个值:2223Ω和6.229Ω。考虑到电流大了会对铂电阻产生热效应, R的值取前者。为保证测量精度和低温漂, 电阻R和R0采用了精密线绕电阻, R18与R19采用低温度系数的金属膜电阻。由式 (3) 可见, R0≥100Ω时, VIN为正值;R0<100Ω时, VIN为负值。AD7714设置为双端输入时, 采出的码是偏移的16进制码, 即输入信号为负时, 采出的码在000000H~7FFFFFH之间, 且000000H为负的最大码;输入信号为正时, 采出的码在800000H~FFFFFFH之间。AD7714共有4根线连向单片机89C52的I/O口线。DIN、DOUT合在一起, 单片机通过它向器件串行写入命令和读出数据;/DRDY线用于检测转换完毕的信号;SCLK线提供给器件读写时钟。另外, 用I/O线控制AD7714的/RESET线就掌握了器件复位的主动权。2零点和满幅值的软件调准测温桥路在零输入 (RT=R0=100Ω) 时应该是零显示, 在满量程输入 (RT=138.5Ω) 时应该显示满幅值, 但往往是因为桥路中的某个元件的阻值不理想、AD7714中在片测量放大器的漂移和作为A/D基准源的VC及其分压电阻的差异, 而导致测量误差的出现。常规的调零和调满幅值是由电位器来承担的, 缺点是可动元件的不稳定性。我们在恒温槽专用温控仪的研制中, 充分发挥了智能仪器的优势, 采用软件调准的方法, 既不增加硬件开销 (省去了调零电位器、调增益电位器、A/D转换器基准电压调准电位器等) , 又抑制了绝大部分误差对测量的影响。软件调准工作分两步:第一步, 在仪器出厂时用标准电阻箱代替铂电阻RT进行初始化设置, 桥路零输入 (RT=100Ω) 时按动面板上的置零键, 单片机读入零误差, 存入E2PROM串行可擦存储器中;桥路满幅值输入 (RT=138.5Ω) 时按动面板上的“增”、“减”键使显示为满幅值 (100.000℃) , 此时单片机将幅值系数存入E2PROM中。第二步, 在实时运行时对测量值进行调准计算, 单片机将实时测量值减去E2PROM中的零误差后再乘以E2PROM中的幅值系数, 作为真正的测量值。这就完成了零值和满幅值的软件调准。

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