差示扫描量热仪(DSC)是一种常见的热分析仪器,其功能是在程序控制温度下,测量输入到物质和参比物的功率差与温度的关系,根据测量方法的不同,又分为两种类型:功率补偿型DSC和热流型DSC,具有十分广泛的应用。
现代科学技术的发展,使得这种仪器在使用范围不断扩大的同时,也对这种仪器的功能提出了更高的要求。原有的热分析仪具有精度不高,反应速度较慢,机箱体积较大,操作界面不友好等不利的方面。这里提出了使用单片机技术对原有功率补偿型DSC进行改进和使用虚拟仪器技术对采集的数据进行处理的方法。由于该种仪器需要采集大量的数据并能实时显示和处理,因此采用上位微机和下位单片机构成的分布式控制系统结构,下位单片机负责实时控制和数据采集,上位微机负责下位机的参数设置和控制,并对采集的数据进行处理,最后形成图像输出,以供分析研究。
1系统设计
DSC热分析仪在工作过程中要不断采集温度信号并转换成电压信号,采集到的信号要传输到上位机存储并使用软件对数据进行处理。所以其整个工作就是不断的重复数据采集→数据处理这个过程。这里把该仪器设计成一个数据处理站。数据处理站由数据接口单元、PC机、12位A/D转换卡和一台打印机组成。接口单元将DSC信号和T温度信号放大,变换成与A/D转换卡相匹配的模拟信号,然后经A/D转换成数字信号,计算机采样DSC信号和T温度信号,并显示在屏幕上,通过热分析数据处理软件可进行数据处理,并打印出DSC信号和T温度曲线,列出数据表,还可以进行曲线和数据的存储。如图1所示。
由图可知,数据系统由采样单元和分析单元组成,采样单元与数据转换接口配合,通过与仪器联机而取得原始测试数据,并保存到数据库或数据文件中;分析单元则对数据进行分析处理,包括对曲线的各部分作必要的标记,然后再把图谱输出到打印机或制作成图片文件。
2数据采集
2.1数据采集单元硬件设计
差示扫描量热仪DSC的工作原理是将试样和参比物处在以一定速率加热或冷却的相同温度状态环境中,记录下试样和参比物之间建立零温差时所需要的能量。系统的硬件电路按信号的传输方向可分为输入通道和输出通道两部分。输入通道由热电偶、热电势放大电路、A/D转换电路组成。3路信号共用一个A/D转换器,由模拟多路开关切换。输出电路主要由I/O接口和激励电路组成。仪器中的测温元件是两个铂铑合金热电偶,通过它们来采集温度模拟信号,用来检测坩锅的加热温度并把温度信号转换成电压信号以供系统采集。得到的电压信号通过OP07集成运算放大器进行两级放大来完成电流—电压转换和电压的调整(调整到适合A/D转换器的输入电压范围(0~2. 4V)),滤波后的模拟信号送入A/D转换器进行A/D转换[1]。
由于热分析仪的采样温度的跨度较大且采样率较高,需要一种较高位数的高精度的A/D转换器,这里选用了一种新型的高精度,宽精度范围的8通道24位A/D转换器—ADS1216。ADS1216与单片机(这里选用的是C8051F020)内部集成的串行外设接口(SPI)通过DIN,DOUT, SCLK和CS 4个引脚进行数据传输。CS端与单片机的P2. 0脚相连,当到达采集温度值以后,使用软件清零P2. 0端以使ADS1216处于工作状态,不断的采集坩锅的温度[2]。
2.2功率差的计算
DSC热分析仪的作用就是检测试样和参比物在保持相同温度的情况下,加热炉的仪器中2个加热炉的加热功率差[3]。其计算方法如下:
式中ΔW为补偿的功率;QS为试样的热量;QR为参比物的热量;dH/dt为单位时间内的焓变,即热流量。
由于仪器中试样和参比物的加热器电阻相等,即RS=RR,当试样没有热效应时
式中RS为试样加热器电阻;Rt为参比物加热器电阻。
如果试样发生热效应,则立即进行功率补偿。所补偿的功率为:
所以,只要不断采集两加热炉的加热电压,计算出其电压差,就可以根据上式计算出功率差来。其电路控制原理图如图2所示。
图2
3数据处理
该仪器的数据处理工作主要在上位机上用软件完成,其数据处理后的最终结果要用曲线在坐标中表示出来。上位机的处理软件是用LabVIEW编写。对于下位机采集的数据在用来绘制曲线之前应进行预处理,其目的是消除在实验过程中引入的随机误差(白噪声),这里使用了LabVIEW利用滑动平均法来进行软件滤波。其程序结构主要运用的是循环结构和顺序结构。充分利用循环结构中的移位寄存器,将两值相加整除后的数值送至输出移位寄存器中保存,采用错位相连的方式,将输入端的第一个和第二个寄存器的数值相加整除后送往输出端的第一个寄存器,将输入端的第二个和第三个寄存器中的数值相加整除后的数值送至输出端的第二个寄存器存储到缓冲区,依此类推。并设定控制循环次数。
第i次循环开始时,输入端每一个移位寄存器便将前几次循环由输出端移位寄存器存储到缓冲区的数据送出,供循环框架内的各个节点使用。循环开始执行后循环数i不断送入输出端的移位寄存器端口,并在每次循环结束时转移到输入端移位寄存器端口。到下一次循环时这个循环数就出现在移位寄存器第一个端口中。而在每一次循环中,移位寄存器各输入端口的数值都向下移动一位。当得到一组新的设计变量值时,在该点判断目标函数是否满足目标要求,若满足要求,则优化结束。当前设计预测点即为最优点,否则,在当前预测点继续进行优化,直到满足目标要求为止。到循环全部结束时,将得到的最终数据输出到循环框外,然后将相加整除所得数值送到输出移位寄存器。如果移位寄存器的端口增多,还要继续相加整除,进行调整。
4结束语
使用单片机技术和LabVIEW技术对这种仪器进行改造,可以在提升原有传统仪器的性能和质量的同时减小外形体积和降低成本,也使仪器的操作更加方便和人性化,从而也就提高了生产效率。
参考文献:
[1]胡汉才.单片机原理及其接口技术(第二版)[M].北京:清华大学出版社, 2004.
[2]冯建华,赵 亮.单片机应用系统设计与产品开发[M].北京:人民邮电出版社. 2004.
[3]张仲礼,黄兆铭,李选培.热学式分析仪器[M].北京:北京工业出版社, 1984.
[4]雷振山. LabVIEW7 Express实用技术教程[M].北京:中国铁道出版社2004.
作者简介:梅新勇(1976- ),男,安徽六安人,北京机械工业学院机电系统测控北京市重点实验室硕士研究生,主要从事机电系统状态监测、诊断、预测等方向的研究。
