用于六面頂壓機(jī)頂錘溫度控制的信號采集電路

黎 智

LI Zhi

（四川工程職業(yè)教育技術(shù)學(xué)院，德陽 618000）

0 引言

金剛石在工業(yè)和民用的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但是天然金剛石的產(chǎn)量十分低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足人們的需求，于是就出現(xiàn)了人工合成的金剛石。

自18世紀(jì)證實(shí)了金剛石是由純碳組成的以后，人們就開始了對人造金剛石的研究，只是在20世紀(jì)50年代通過高壓研究和高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展，才獲得真正的成功和迅速的發(fā)展。目前人造金剛石的具體方法多達(dá)十幾種。按所用技術(shù)的特點(diǎn)可歸納為靜壓、動壓和低壓等三種方法。按金剛石的形成特點(diǎn)可歸納為直接、熔媒和外延等三類方法。圖1中表示碳的壓力-溫度(P-T)相圖和三種方法人造金剛石的實(shí)驗(yàn)區(qū)。1區(qū)為直接法人造金剛石的實(shí)驗(yàn)區(qū)，2區(qū)為熔媒法人造金剛石的實(shí)驗(yàn)區(qū)，3區(qū)為外延法人造金剛石的實(shí)驗(yàn)區(qū)。

直接法：人造金剛石或利用瞬時(shí)靜態(tài)超高壓高溫技術(shù)，或動態(tài)超高壓高溫技術(shù)，或兩者的混合技術(shù)，使石墨等碳質(zhì)原料從固態(tài)或熔融態(tài)直接轉(zhuǎn)變成金剛石，這種方法得到的金剛石是微米尺寸的多晶粉末。

熔媒法：人造金剛石用靜態(tài)超高壓(50～100kb，即5～10GPa) 和高溫(1100～3000°C)技術(shù)通過石墨等碳質(zhì)原料和某些金屬（合金）反應(yīng)生成金剛石，其典型晶態(tài)為立方體(六面體)、八面體和六-八面體以及它們的過渡形態(tài)。

外延法：人造金剛石是利用熱解和電解某些含碳物質(zhì)時(shí)析出的碳源在金剛石晶種或某些起基底作用的物質(zhì)上進(jìn)行外延生長而成的。

目前在工業(yè)上顯出重要應(yīng)用價(jià)值的主要是靜壓熔媒法。采用這種方法可以得到磨料級人造金剛石的產(chǎn)量已超過天然金剛石。生產(chǎn)這種人造金剛石的主要設(shè)備就是六面頂壓機(jī)。對六面頂進(jìn)行控制時(shí)，其重點(diǎn)是要控制好合成腔內(nèi)的壓力和溫度，使其滿足人造金剛石的工藝條件。

圖1 碳的壓力-溫度（P-T）相圖

1 問題描述

目前對六面頂壓機(jī)合成腔內(nèi)進(jìn)行溫度場控制是通過直流電加熱實(shí)現(xiàn)的，無論是控制電流還是電壓，最終還是以加熱功率的變化來實(shí)現(xiàn)溫升。由于熱量是靠合成料棒電阻自發(fā)熱產(chǎn)生，即便是石墨襯管等的輔助措施也僅起到了保溫的作用，因此，其溫度梯度因散熱而生，溫度應(yīng)為自棒芯向外遞減，并且這種溫差在加熱與散熱條件不變的情況下，應(yīng)與合成棒直徑大小無關(guān)。基于這種推理，合成腔體的擴(kuò)大，提供了一個(gè)可以形成更均衡與穩(wěn)定的溫度場的客觀條件，或者說，在大腔體中符合優(yōu)質(zhì)金剛石生長所需溫度條件的空間比例將更大。合成腔溫度的變化受兩種因素影響：其一是加熱，其二是散熱。目前，以加熱功率控制為基礎(chǔ)的控制模式有兩種：

1）為恒功率模式，加熱功率處于一種恒定狀態(tài)，隨著時(shí)間的延長，加熱量正比例增加；

2）為變功率模式，加熱功率可根據(jù)設(shè)定曲線變化，隨著時(shí)間的延長，加熱量非正比例增加，這種方法可以使溫度在某一點(diǎn)保持恒定。

顯而易見，第二種方法可以更好的保證工藝的實(shí)施。的工業(yè)應(yīng)用上最常到的恒溫控制系統(tǒng)是PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過經(jīng)典控制理論的分析我們可以知道，閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)對整個(gè)系統(tǒng)的性能影響非常大。在六面體壓機(jī)的合成腔中是一種高溫和高壓的環(huán)境，要在腔體內(nèi)安裝溫度傳感器是十分困難的。所以，如何盡可能準(zhǔn)確的采集到合成腔內(nèi)的溫度信號就成了影響控制性能的關(guān)鍵問題。

2 一種用于六面頂壓機(jī)的溫度信號采集電路

本文將介紹一種信號采集電路，該電路通過測量加熱器電流和電壓的大小，再將信號進(jìn)行乘法運(yùn)算和除法運(yùn)算，不但可以得到瞬時(shí)功率的大小，還可以得到瞬時(shí)阻抗的大小。通過以上方法可以間接得到六面頂壓機(jī)合成腔內(nèi)的溫度信號，電路系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1 放大電路

圖2 系統(tǒng)框圖

圖3 放大電路圖

圖3所示電路為電流信號放大電路。電流信號的采集是通過測量加熱回路中串入的一段銅排兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)。該電路共分為三部分。第一部分為前置放大電路，采用高精度運(yùn)算放大器AD548K，具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。由于采集的信號有幾十毫伏的電壓，所以前置放大器的放大倍數(shù)不能太大，以免造成電路的飽和。第二部分為隔離放大電路，采用了二端變壓器耦合的隔離放大器AD202KN作為放大器件，該芯片由放大器、調(diào)制器、解調(diào)器、整流和濾波、電源變換器等組成，具有精度高、功耗低、共模性能好、體積小等特點(diǎn)。第三部分為輸出阻抗匹配電路，采用了LF356，具有輸入阻抗高的特點(diǎn)，可保證信號的輸出。

第一級運(yùn)放的放大倍數(shù)為：

第二級的放大倍數(shù)為：

第三級的阻抗匹配電路對于信號的幅值沒有任何影響。經(jīng)過兩級放大后，總的放大倍數(shù)為26×2.6=67.6倍，采集信號范圍是0～±75mV，最后輸出的信號就放大成了 0～±5V，可以用于后續(xù)的A/D轉(zhuǎn) 換進(jìn)行信號處理。對于電壓信號放大電路而言，就少了一個(gè)前置放大電路，通過調(diào)節(jié)電位器，使AD202KN的放大倍數(shù)為2.5倍，采集信號范圍是0～±2V，經(jīng)過放大過后輸出信號也變成了0～±5V。

2.2 真有效值轉(zhuǎn)換電路

采集到的電壓信號或電流信號經(jīng)過前面的放大電路后，都變成了 的電壓信號。在這個(gè)環(huán)節(jié)必須要把 的交流輸出信號轉(zhuǎn)換成為有效值才能輸出，所以必須用到真有效值轉(zhuǎn)換電路。電路輸出的直流電壓將線性地正比于被測的各種波形交流信號的有效值，基本上不受波形失真度的影響。

AD637KD由美國AD公司研制的真有效轉(zhuǎn)換器，是一種隱含運(yùn)算式的AD芯片，轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于1%，性能較好，電路圖如圖4所示。

圖4 真有效值轉(zhuǎn)換電路圖

經(jīng)過此電路后，信號將完成以下運(yùn)算：

輸出將變?yōu)?的接口信號，便于與后續(xù)的控制器進(jìn)行連接。

2.3 瞬時(shí)功率運(yùn)算電路

瞬時(shí)功率運(yùn)算采用的是美國AD公司研制的AD534KD芯片，這款芯片可以用于乘法運(yùn)算、除法運(yùn)算、平方運(yùn)算和平方根運(yùn)算，運(yùn)算的誤差最大值為±0.5%。當(dāng)其用于乘法運(yùn)算時(shí)，典型的運(yùn)算功能描述公式為：

如果按照圖5中的用法，其功能描述公式就變成了：

由于X2和Y2直接接地，所以最終的運(yùn)算功能就變成了：X1Y1

圖5 功率運(yùn)算電路圖

X1和Y1直接連接經(jīng)過放大的加熱回路電壓信號和電流信號，運(yùn)算后的輸出信號就是加熱時(shí)的瞬時(shí)功率。但這個(gè)功率輸出并不是直流有效值，所以在電路的末端還要加上一個(gè)真有效值轉(zhuǎn)換電路，該轉(zhuǎn)換電路與圖4相同。

2.4 阻抗運(yùn)算電路

阻抗運(yùn)算仍然是采用美國AD公司研制的AD534KD芯片，具體電路如圖6所示。

圖6 阻抗運(yùn)算電路圖

電路的運(yùn)算功能描述如下：

圖中，Y1、X2和Z1都接地，取值為“0”，功能描述式化簡為：

Z2連接的是電壓有效值，X1連接的是電流有效值，電路的輸出就是阻抗值。

2.5 供電回路

圖7中為供電回路，采用橋式整流后，再經(jīng)LM7815和LM7915穩(wěn)壓，再經(jīng)多級濾波，輸出±1.5V。

圖7 供電回路圖

3 結(jié)束語

本文中提到的電路通過檢測電加熱器的加熱電壓和加熱電流，再將采集到的信號轉(zhuǎn)換成為電壓接口信號輸出，控制器就可以運(yùn)用這些信號直接控制加熱器的加熱功率，間接達(dá)到控制合成腔內(nèi)溫度的目的。經(jīng)工程應(yīng)用證明，該電路通過對電路結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計(jì)并選用新的集成器件，很好的解決了在工業(yè)現(xiàn)場可能遇到的問題，性能穩(wěn)定，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，能較好的完成信號采集的功能。再聯(lián)接A/D轉(zhuǎn)換電路后就可以將信號送入控制器中進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)溫度信號的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

[1]畢克勇.淺談六面頂液壓機(jī)電液控制模式.工業(yè)金剛石,2005,(3)：87-90.

[2]蔡博.六面頂壓機(jī)液壓、電控系統(tǒng)的研究進(jìn)展.2004,(4)：19-21.

[3]Op Amp Circuit Collection, National Semiconductor Corporation,Application Note 31 February 1978.

[4]AD202/AD204 User's Manual,Analog Devices,Inc.,1994.

[5]AD534 User's Manual,Analog Devices,Inc.,1999.

[6]AD548 User's Manual,Analog Devices,Inc.,1997.

[7]AD637 User's Manual,Analog Devices,Inc.,1999.

[8]LF356 User's Manual,STMicroelectronics GROUP OF COMPANIES,1998.