微波消解儀溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)的研究

郭冬梅， 許 蕊

（濟(jì)寧市計量測試所， 山東 濟(jì)寧 272100）

1 概述

微波消解是溫度和化學(xué)計量領(lǐng)域快速興起的分析類儀器，它具有操作簡單、測量準(zhǔn)確、不輕易污染等特點，因此被廣泛應(yīng)用于疾病預(yù)防控制中心、農(nóng)產(chǎn)品檢測中心、食品廠、環(huán)境監(jiān)測站、藥廠等領(lǐng)域。微波消解儀是利于微波加熱的原理，并配合壓力的作用對樣品進(jìn)行分解的。其重要的指標(biāo)是溫度和壓力，尤其是溫度指標(biāo)，溫度的高低直接影響到實驗結(jié)果，因此開展對微波消解儀溫度的計量校準(zhǔn)具有非常重要的意義。

2 微波消解儀溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)分析

微波消解儀溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)是由PC機(jī)、溫度傳感器K型熱電偶、數(shù)字調(diào)節(jié)儀、溫度測試儀構(gòu)成，在此系統(tǒng)中應(yīng)用K型熱電偶溫度傳感器檢測溫度，經(jīng)信號處理后，在Modbus協(xié)議下通過串行通訊線進(jìn)行溫度的傳送與命令的傳輸，最終在PC機(jī)上應(yīng)用編程軟件VB語言實現(xiàn)溫度的顯示與控制，實現(xiàn)PC機(jī)與數(shù)字儀表之間的信息與數(shù)據(jù)的交流與傳送。通過PID控制來對系統(tǒng)溫度進(jìn)行控制，保持溫度的恒定，實現(xiàn)數(shù)字儀表溫度的恒定化，來達(dá)到校驗消解儀溫度的目的[1]。通過MATLAB軟件編寫數(shù)字識別程序，實現(xiàn)對溫度測試儀的溫度數(shù)字的識別來比較數(shù)字調(diào)節(jié)儀上的溫度，判斷數(shù)字調(diào)節(jié)儀上的溫度是否在準(zhǔn)確，在誤差允許的范圍內(nèi)，是否可以作為校準(zhǔn)消解儀溫度的參照依據(jù)，整個系統(tǒng)的整體正常運(yùn)行實現(xiàn)了對消解儀的溫度校驗功能，如圖1所示。

3 PID控制部分分析

系統(tǒng)的溫度控制采用PID控制，數(shù)字調(diào)節(jié)儀上當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，首先由單片機(jī)控制軟件發(fā)出溫度讀取指令，通過溫度傳感器采集加被控對象的當(dāng)前溫度值并送顯示屏實時顯示。然后，將溫度測量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，差值送PID控制器，PID控制器處理后輸出一定量的控制值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬電量，控制被控對象進(jìn)行加熱。PID控制器采用位置式PID控制算法，由于計算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，對積分和微分項不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。對PID的參數(shù)進(jìn)行整定時采用基于曲線擬合的最大切線法，解決了飛升曲線切線的斜率最大處不好確定問題，同時又可以利用飛升曲線法提取系統(tǒng)參數(shù)特征參數(shù)簡單易行，實現(xiàn)較好的減少隨機(jī)誤差有不會使參數(shù)計算復(fù)雜化。在機(jī)與曲線擬合的最大切線法下得到的系統(tǒng)參數(shù)，通過ZN經(jīng)驗公式轉(zhuǎn)化為PID控制的三的參數(shù)[2]。

圖1 微波消解儀溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)圖

4 溫度傳感器部分分析

設(shè)計中使用的是K型熱電偶溫度傳感器，溫度傳感器K型熱電偶具有如下特點[3]。測量精度高，因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響；測量范圍廣，常用的熱電偶從-50～+1600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2 800℃（如鎢-錸）；構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便等優(yōu)點。

5 溫度顯示部分分析

本溫度顯示與控制的界面采用的是可視化語言Visual Basic和Matlab編寫成的。VB是事件驅(qū)動型的語言，不斷響應(yīng)各種事件，并且根據(jù)優(yōu)先級來做出相應(yīng)的響應(yīng)。PC與數(shù)字調(diào)節(jié)儀連接之后，就能實現(xiàn)尋找并且自主打開所用的串口。用VB MSComm控件和串口的通信來發(fā)送握手命令，查詢數(shù)字調(diào)節(jié)儀是否在線，同時讀取數(shù)字調(diào)節(jié)儀的回答命令來判斷。PC用VB MSComm控件，采取觸發(fā)的方式，接收并且判斷是不是上傳的溫度數(shù)據(jù)命令，并顯示溫度值。因此PC機(jī)實現(xiàn)了與數(shù)字調(diào)節(jié)儀的數(shù)據(jù)，命令的交互。

6 校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)置

通過電源模塊連接繼電器對加熱棒進(jìn)行加熱，通過K型熱電偶實現(xiàn)對溫度的采集，傳輸?shù)綌?shù)字調(diào)節(jié)儀上，實現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)儀對傳感器溫度的讀取。在數(shù)字調(diào)節(jié)儀與PC機(jī)之間，數(shù)據(jù)的傳輸與回復(fù)通過RS232串口與RS485串口的連接，通過Modbus協(xié)議在端口號、外設(shè)地址、參數(shù)地址與數(shù)據(jù)位、校驗碼上規(guī)定的數(shù)據(jù)格式以及自主對參數(shù)的選擇來實現(xiàn)PC機(jī)與數(shù)字調(diào)節(jié)儀之間的數(shù)據(jù)連接，實現(xiàn)PC機(jī)對數(shù)字調(diào)節(jié)儀上的溫度讀取以及對數(shù)字調(diào)節(jié)儀上的溫度設(shè)定值的設(shè)置。

7 結(jié)語

微波消解儀溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)解決了微波消解儀溫度無法校準(zhǔn)的問題，它采用了微電子技術(shù)，把測試探頭送置于穩(wěn)定可調(diào)的溫度源內(nèi)，與被測物體充分接觸，經(jīng)敏感元件變換、后續(xù)有效的電路處理及PID控制處理、微機(jī)數(shù)據(jù)處理后，在PC機(jī)上顯示數(shù)據(jù)并處理，并且使用PID控制來控制系統(tǒng)溫度，通過MATLAB識別溫度儀溫度來與PC機(jī)顯示溫度比較，確定溫度誤差，形成了微波消解儀溫度自動校準(zhǔn)。課題研制成功能為消解儀的溫度校準(zhǔn)提供了合法有效的技術(shù)手段和方法，解決了消解儀溫度校準(zhǔn)的問題。溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件方面是由PC機(jī)和數(shù)字調(diào)節(jié)儀以及溫度顯示儀器來實現(xiàn)的，K型熱電偶采集到的溫度數(shù)據(jù)通過溫度變送器傳送到數(shù)字調(diào)節(jié)儀上，運(yùn)行在PC機(jī)上的編程軟件VB利用串行通訊線提供給硬件的接口，通過RS485與RS232在Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)上，對整個總線進(jìn)行操作控制，實現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)儀上的溫度值顯示及溫度值的設(shè)定，并且對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反饋，實現(xiàn)對微波消解儀的溫度校準(zhǔn)功能。