熱重分析儀中去皮調零方法的改進(jìn)

2009年儀卓故術(shù)與傳贏(yíng)2009第5期熱重分析儀中去皮調零方法的改進(jìn)鄒豪杰,陳衛兵,周序生,譚傳武,李長(cháng)云(湖南工業(yè)大學(xué)計算機與通信學(xué)院湖南株洲412008)摘要:熱重分析儀的稱(chēng)重部分需要去皮調零操作。結合稱(chēng)重部分已有的信號放大電路、模數轉換電路和微處理器基于數檨轉換器設計了一種去皮、調零電路,采用文中提出的估值一逐位逼近算法調整稱(chēng)重電路的零點(diǎn),實(shí)現大范圍快速去皮調零。實(shí)際測量結果顯示:對超過(guò)所選量程的皮重能精確去皮,去皮調零時(shí)間比折半法減少了一半。關(guān)鍵詞:熱重分析儀;去皮;調零;估值一逐位遁近算法中圖分類(lèi)號:TF272文獻標識碼:A文章編號:1002-1841(2009)05-0105-03Improved Method for Removing Tare and Adjusting Zero inThermal-gravimetric-analyzerZOU Hao-jie, CHEN Wei-bing, ZHOU Xu-sheng, TAN Chuan-wu, LI Chang-yunSchool of Computer and Communication, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412008, ChinaAbstract: It is necessary to eliminate tare weight and adjust zero for the weighing unit of thermal gravimetric analyzer. Usingthe signal amplifier circuit, ADC and microprocessor of a normal weighing unit, this paper designed a novel circuit with dAC to e-liminate tare and adjust zero, and presented an estimated- successive approximation to achieve the aim of large range and fast adjustment. The measure results show that an accurate adjustment can be realized while the tare largely exceeds the selected measrement range and the adjusting time is half of the dimidiate methodKey words: thermal gravimetric analyzer; eliminate tare weight zero adjustment; estimated-successive approximation0引言數模轉換芯片本身存在一定的非線(xiàn)性,調整結果往往不準確。熱重分析儀是在溫度程序控制〔等速升溫、降溫、恒溫和循該文基于數模轉換器設計了去皮調零電路提出估值一逐位逼環(huán))下測量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度變化的儀器。廣泛應用于有機、近算法對數字化去皮方法進(jìn)行改進(jìn)。先通過(guò)2次測量,計算去石化、建材、化纖、冶金、陶瓷、制藥等領(lǐng)域,主要用來(lái)觀(guān)察樣品皮調零值取其高位作為粗略值然后采用逐位通近方法設置脫水、蒸發(fā)、升華、分解、燃燒等在某一特定溫度下的質(zhì)量變化,低位精確逼近零點(diǎn)。該方法一方面保證了去皮調零精度,同特別是在高聚合物的研究中常用來(lái)確定各組分的含量。時(shí)大大減少操作時(shí)間熱重分析儀主要由微量天平、加熱爐、氣氛單元、溫度控制1熱重分析儀稱(chēng)重硬件電路單元、氣氛控制單元、計算機等組成。熱重(TG)分析時(shí),為避熱重分析儀電子天平結構如圖1所示,由稱(chēng)重傳感器、信免試樣內部存在溫度梯度引起二次效應,所取試樣量一般很號放大濾波電路、模數轉換器、微處理器通信模塊、去皮電路少。而TG分析過(guò)程中試樣失重小,要求熱重分析儀分辨率高,和調零電路等組成。稱(chēng)重傳感器輸出的電壓信號送到信號放故熱重分析儀量程非常小,最小量程僅1mg對腐蝕性樣品進(jìn)大濾波電路進(jìn)行放大、濾波、電平搬遷等處理,得到適合于模行分析時(shí)為了保護天平托盤(pán)需要用坩堝盛放樣品。而坩堝數轉換電路的信號。微處理器為稱(chēng)量部分控制中心,主要用來(lái)的質(zhì)量往往超過(guò)所選量程的好幾倍因此熱重分析儀需要執行設置電路增益進(jìn)行量程切換、設置濾波參數讀取轉換后的數去皮操作。字量及與上位機通信等。按鍵模塊用來(lái)設置參數和接受外部傳統的去皮操作,常采用人工調整電位器的方法實(shí)現,存命令。利用數模轉換器設計的去皮、調零電路在微處理器控制在需要人工干預、調整時(shí)間長(cháng)、調整精確度不高等缺點(diǎn)。純粹下按照該文提出的估值-逐位逼近算法控制去皮調零電路的軟件方法不能實(shí)現皮重超過(guò)所選量程的情況。文獻[1]提出輸出適當的去皮調零電壓精確調整稱(chēng)重電路零點(diǎn)。采用數字電位器實(shí)現調零的方法只適用于平衡電橋;文獻[2]利用數字電位器組成三級去皮電路,采用快速折半算法尋找去稱(chēng)重傳感器皮零點(diǎn)但整個(gè)去皮過(guò)程需12,并且調整特確度在整個(gè)范圍內并不一致,皮重越大調整精度越低。文獻[3]采用數模轉換中國煤化工電路實(shí)現調零,通過(guò)簡(jiǎn)單的計算得出調零值沒(méi)有反饋機制但CNMHG按基金項目國家自然科學(xué)基金項目(60m31);湖南省教育廳基金項目2去皮調零電路設計圖1熱重分析儀稱(chēng)重部分結構框圖收稿日期:2008-11-20收修改稿日期:2008-12-10當熱重分析儀使用環(huán)境改變,電路參數發(fā)生徵小變化時(shí)Instrument Technique and SensorMay.2009將引起稱(chēng)取電路零點(diǎn)漂移,為使其恢復零點(diǎn)而采取的調整措出的偏差要保證在調零所能調整的范圍內,調零操作使稱(chēng)重電施稱(chēng)為調零。去皮操作是讓天平在有負載的情況下恢復到零路輸出更接近零。該熱重分析儀中信號放大電路的放大器為點(diǎn)調幣的范圍比較大皮重甚至可以超過(guò)所選量程的好幾倍。儀表放大器AD624,模數轉換器為24位分辨率的AD4微處這兩種操作的作用類(lèi)似,有一定的相關(guān)性。在稱(chēng)量過(guò)程中按理器為 ATMEGA16。所設計的去皮電路調零電路如圖2所下去皮按鍵后,先執行去皮操作,再執行調零操作。去皮后輸。稱(chēng)重傳楚K Syme Vd ReB-OAGnd±12VVTbBAGndGnd IOVdd VreBAGnd圖2去皮調零電路原理圖稱(chēng)重傳感器為電磁力平衡傳感器,可調整輸出電壓在0~算出的去皮調零DAC數字值低n位置為零從高到低逐位試探7.5Ⅴ范圍內。稱(chēng)重傳感器輸出信號經(jīng)簡(jiǎn)單RC濾波后傳送性地設置低n位使輸出電壓逼近零點(diǎn)保證去皮調零精確度。到儀表放大器AD6324的ⅣN-端,去皮、調零電路輸出的調節電2次測量估箅去皮調零粗略偵工作原理如下壓傳輸到AD624的IN+輸入端,AD624對ⅣN+、IN-兩輸入端去皮電路OP07為反相放大器,則去皮電路輸出的電壓的差分電壓進(jìn)行放大。當天平托盤(pán)中有坩鍋時(shí),傳感器輸出負為電壓,通過(guò)調整去皮調零電路,可以使N+端輸入一個(gè)與IN(1)端相等的電壓(坩鍋質(zhì)量在去皮范圍之內),兩端差分電壓為212x,0v零實(shí)現去皮調零功能。去皮電路、調零電路由數模轉換器式中:Code為去皮電路DAC數字值;Remv為DAC參考電DAC7552和運算放大器0H07組成。DAC7552包含2路數模轉壓。換器,A通道與U2組成去皮電路,B通道與U3組成調岑電路。調零電路OP07設計成雙極性輸出電路則DAC7552的參考電壓由T431提供,參考電壓設定為4.096VDe_+ADore去皮電路中OP07設計成反相放大電路,將DAC752輸出的0Code4.095V電壓轉換為0~-4.095V電壓,經(jīng)1000電阻連接(3)到AD624的IN+輸入端;調零電路的OP7設計成雙極性輸出電路輸出-4095~+4.095V電壓,經(jīng)30k電阻連接到Vm=Rel,2XRe,ooAD624的N+輸入端,AD624的IN+輸入端通過(guò)82k∩電阻式中:VAD為數模轉換器B通道輸出的電壓;Code-為調零接地。經(jīng)過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò )分壓,去皮電路引起AD624N+電壓從0DAC數字值;V-為調零電壓變化到約-4V調零電路引起IN+電壓變化約±2mV.實(shí)際去皮電壓、調零電壓經(jīng)過(guò)電阻R4、R3及R分壓后連接到上,DAC5存在微小的零偏通過(guò)調節電位器Rwx、Rwr可以AD624N+端其電壓為調整OP07輸出的零點(diǎn)。在不需要去皮時(shí),去皮電路輸出0VRaRe對其他電路不產(chǎn)生影響。RuRa+,Ru+Rura3估值一逐位逼近算法原理和實(shí)現D R2+r Ra+Ru. Vme3.1估值一逐位逼近算法波電路總的增益基本去皮調零電路在微處理器的控制下利用數模轉換器實(shí)現不變中國煤化工去皮調零操作,具體的調整方法為估值-逐位逼近法,分2個(gè)CNMHGG步驟來(lái)實(shí)現。第一步,系統自動(dòng)測量2次計算出使輸出為零其他參數不變化僅去皮電路調整引起v的變化為所需設置的去皮、調零DAC數字值。但由于數模轉換器存在xGx△V的非線(xiàn)性、不穩定性因此該值作為粗略值。第二步,將計RuRe+RuRu+r re豪杰等:熱重分析儀中去皮調零方法的改進(jìn)RuraxGx Ref&(7)法偏差較大快速折半法與估值一逐位通近法調零結果相近。R, Ra+R,R2+ruro但分析兩者的原理可知,n=4時(shí),估值一逐位通近法所需測量每次稱(chēng)量的時(shí)間很短使用環(huán)境基本不變可以認為R3、的次數僅僅是快速折半法的一半Rx、Ra、G、Ref4mw為常數,則式(7)可以寫(xiě)成↓切換量君到mg設置( deane-0進(jìn)行去皮操作時(shí)稱(chēng)重系統量程切換為最大量程,先設置測量輸出電壓得到去皮DAC數字值 Codere=0,調零DAC數字值Code-=「x800H,即均輸出0V測量得到輸出電壓V=o;再設置去皮電路DAC數字值為一定值Code-,測量得到此時(shí)輸出電壓V,則lear低位置0令:n(9)假設設置去皮電路數字值為Code時(shí),電路輸出電壓為0,則0-V.o=k, x( Code u-Codeuro)聯(lián)合式(9)、式(10),且 Code=0,可以得到去皮電路去皮粗略值的計算公式o:y=×xCoe-由式(11)可算出去皮電路需設置的數字值Code對于調零電路調零操作前,將稱(chēng)重系統量程切換為稱(chēng)量圖3估值一逐位逼近算法流程圖試樣時(shí)所需選取的量程。第一次測量時(shí), Code.為800H,設稱(chēng)表1估值-逐位逼近算法中n取值對結果的影響量電路輸出電壓為V。;第二次測量時(shí),設置DAC數字值為定皮重/mgn=0n=1n=2n=3n=4值Coe,設稱(chēng)量電路輸出電壓為vm.同樣可以得到計算調零電路調零粗值的計算公式oo0Code =-800H)+800H(12)表2不同算法去皮調零結果的比較mV為了更精確地調整稱(chēng)重電路零點(diǎn),去皮、調零DAC數字值稱(chēng)重電路輸出電壓的低位采用逐位逼近的方法設置。將計算出的 Code、Code算法低n位置零,該n位由高到低依次逐位設置,每一位先試探0 mg 50 mg 100 mg 200 mg 50直接計算法0.0070.011失敗失敗0.00性地置1,根據稱(chēng)量電路輸出電壓決定該位最終置I還是快速折半法0.0010.0020.0010.0030.002估值-逐位通近法0.0010.0020.0000.0030.0023.2算法實(shí)現結束語(yǔ)該文所設計熱重分析儀的去皮電路調零電路均采用估值釆用數模轉換器設計了數字化去皮、調零電路,實(shí)現了在逐位通近算法進(jìn)行調整。去皮電路數模轉換器數字值越大,微處理器控制下的自動(dòng)去皮、調零。該方法具有調整時(shí)間短AD624|N+端電壓越低稱(chēng)重電路輸出的電壓越低。估值-逐誤差小的特點(diǎn),克服了純軟件去皮不能處理皮重大于所選量程位逼近算法在去皮操作中的實(shí)現過(guò)程如圖3(a)所示。而調零的弊端。與直接計算法相比,去皮調零過(guò)程中所采用的估值電路數模轉換器數字值越大,AD64ⅣN+端電壓越高,稱(chēng)重電路輸出的電壓也越高。在調零操作中,值-逐位通近算法的逐位逼近法具有史高的精確度;與快速折半法相比,在保證相同去皮調零精確度條件下調整時(shí)間減少了一半。該去皮、調實(shí)現過(guò)程如圖3(b)所示。零方法也可以應用在其他電子衡器中,具有廣闊的應用前3.3測量結果利用該文設計的去皮電路、調零電路結合熱天平進(jìn)行2景。參考文獻:項實(shí)驗。實(shí)驗一:對3種不同皮重在取不同n值的情況下,各進(jìn)行1]楊光友周?chē)惗ǚ綌底蛛娢黄髟谄胶怆姌驕y量中的應用儀表技術(shù)與傳感器,2004(5):30-3110次實(shí)驗。表1記錄估值一逐位通近法能夠調整到理論精確(2中國煤化工議中一種新的數字去皮方度的次數(理論上,調零誤差僅4μⅤ)。實(shí)驗結果表明:當n取值≥3時(shí)該方法每次都能精確調整零點(diǎn)。CNMH[3]化儀器儀表2001(1):55實(shí)驗二:通過(guò)對6種皮重進(jìn)行去皮調零實(shí)驗比較直接計算法、快速折半法及估值一逐位逼近算法調整精確度。選擇量作者簡(jiǎn)介:鄒豪杰(1976-)講師碩士研究生主要研究方向為嵌人式程為100mg,去皮調零后稱(chēng)重電路輸出電壓見(jiàn)表2。直接計算系統、儀器儀表。E-mail: zouhaojied@gmai