CN112666297A - 高精度柱箱温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气相色谱仪领域，具体涉及一种高精度柱箱温度控制系统。该系统包括依次连接的：加热模块、采集模块、CPU；加热模块、采集模块采用多路设置，多路加热模块、采集模块以柱箱中的色谱柱为中心分布；其中：CPU将多路采集模块采集到的温度进行平均，若多路采集模块采集到的温度与平均值的温差大于第一预设值，则控制多路加热模块进行单点控温；若多路采集模块采集到的温度与平均值的温差小于第二预设值，则控制多路加热模块取平均值进行单独控温；同时CPU采用自适应PID算法综合六路数据在CPU中快速计算并调整参数，从而实现对气相色谱仪的精准控温。
Description
技术领域
本发明涉及气相色谱仪领域，具体而言，涉及一种高精度柱箱温度控制系统。
背景技术
现有技术通过单一的PT100铂电阻和加热棒组成控温系统，采用16位ADC，通过单片机的常规PID算法，实现温度的控制。但由于柱箱体积的大小及温度从加热核心区到周围的不均匀分布，以及加热设备的纯滞后性和复杂性，导致针对气相色谱仪的柱箱高精度温度控制难度比较大，从而导致气相色谱仪器的保留时间过长，定性不准，影响气相色谱仪性能。
发明内容
本发明实施例提供了一种高精度柱箱温度控制系统，以至少解决现有柱箱温度控制难度大的技术问题。
根据本发明的实施例，提供了一种高精度柱箱温度控制系统，包括依次连接的：加热模块、采集模块、CPU；加热模块、采集模块采用多路设置，多路加热模块、采集模块以柱箱中的色谱柱为中心分布；其中：
CPU将多路采集模块采集到的温度进行平均，若多路采集模块采集到的温度与平均值的温差大于第一预设值，则控制多路加热模块进行单点控温；若多路采集模块采集到的温度与平均值的温差小于第二预设值，则控制多路加热模块取平均值进行单独控温；同时CPU采用自适应PID算法综合六路数据在CPU中快速计算并调整参数。
进一步地，柱箱温度控制系统还包括采集芯片，采集芯片连接在采集模块和CPU之间，采集芯片采用如下配置方法改变通道：
在每一个通道改变命令发出时，要连续执行SYNC、WAKEUP,忽略DRDY电平状态；SYNC、WAKEUP、DRDY三个命令之间要满足大于最小时间间隔24/72000000S之后写入RDATA命令读取数据；每一次通道改变时都执行以上操作；单通道时同步的时刻发生在SYNC命令后33.51ms处，多通道时由于紧随SYNC命令后有WAKEUP命令，同步发生在WAKEUP命令写入的第一个SCLK时钟的上升沿，单通道时无需因执行同步而丢弃此时采集到的数据；写入SYNC，再入WEAKUP命令。
进一步地，采集芯片采用ADS1256高精度ADC。
进一步地，第一预设值为0.1℃，第二预设值为0.05℃。
进一步地，加热模块、采集模块采用6路设置，6路加热模块、采集模块以柱箱中的色谱柱为中心均匀分布。
进一步地，CPU采用最高主频1.8G的主控芯片。
进一步地，主控芯片采用USB3.0接口传输数据。
进一步地，温度控制系统中电路所用到的电阻为高精度、低温飘电阻。
进一步地，温度控制系统中基准电压源选用高精度基准电源，且为超低静态电流小于1A，精度小于±0.11％，噪声30μVRMS，瞬态响应快的线性稳压电源。
进一步地，柱箱内部材料采用镀金空心高导无氧铜。
本发明实施例中的高精度柱箱温度控制系统中，CPU将多路采集模块采集到的温度进行平均，若多路采集模块采集到的温度与平均值的温差大于第一预设值，则控制多路加热模块进行单点控温；若多路采集模块采集到的温度与平均值的温差小于第二预设值，则控制多路加热模块取平均值进行单独控温；同时CPU采用自适应PID算法综合六路数据在CPU中快速计算并调整参数，从而实现对气相色谱仪的精准控温。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明高精度柱箱温度控制系统的模块连接图；
图2为本发明高精度柱箱温度控制系统中六路采集电路的电路原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明的实施例，提供了一种高精度柱箱温度控制系统，参见图1-2，包括依次连接的：加热模块、采集模块、CPU；加热模块、采集模块采用多路设置，多路加热模块、采集模块以柱箱中的色谱柱为中心分布；其中：
CPU将多路采集模块采集到的温度进行平均，若多路采集模块采集到的温度与平均值的温差大于第一预设值，则控制多路加热模块进行单点控温；若多路采集模块采集到的温度与平均值的温差小于第二预设值，则控制多路加热模块取平均值进行单独控温；同时CPU采用自适应PID算法综合六路数据在CPU中快速计算并调整参数。
本发明实施例中的高精度柱箱温度控制系统中，CPU将多路采集模块采集到的温度进行平均，若多路采集模块采集到的温度与平均值的温差大于第一预设值，则控制多路加热模块进行单点控温；若多路采集模块采集到的温度与平均值的温差小于第二预设值，则控制多路加热模块取平均值进行单独控温；同时CPU采用自适应PID算法综合六路数据在CPU中快速计算并调整参数，从而实现对气相色谱仪的精准控温。
其中，柱箱温度控制系统还包括采集芯片，采集芯片连接在采集模块和CPU之间，采集芯片采用如下配置方法改变通道：
在每一个通道改变命令发出时，要连续执行SYNC、WAKEUP,忽略DRDY电平状态；SYNC、WAKEUP、DRDY三个命令之间要满足大于最小时间间隔24/72000000S之后写入RDATA命令读取数据；每一次通道改变时都执行以上操作；单通道时同步的时刻发生在SYNC命令后33.51ms处，多通道时由于紧随SYNC命令后有WAKEUP命令，同步发生在WAKEUP命令写入的第一个SCLK时钟的上升沿，单通道时无需因执行同步而丢弃此时采集到的数据；写入SYNC，再入WEAKUP命令。
其中，采集芯片采用ADS1256高精度ADC。
其中，第一预设值为0.1℃，第二预设值为0.05℃。
其中，加热模块、采集模块采用6路设置，6路加热模块、采集模块以柱箱中的色谱柱为中心均匀分布。
其中，CPU采用最高主频1.8G的主控芯片。
其中，主控芯片采用USB3.0接口传输数据。
其中，温度控制系统中电路所用到的电阻为高精度、低温飘电阻。
其中，温度控制系统中基准电压源选用高精度基准电源，且为超低静态电流小于1A，精度小于±0.11％，噪声30μVRMS，瞬态响应快的线性稳压电源。
其中，柱箱内部材料采用镀金空心高导无氧铜。
参见图1-2，下面以具体实施例，对本发明的高精度柱箱温度控制系统进行详细说明：
本发明针对气相色谱仪柱箱的温控系统控温效果差，精度不高，从而影响柱箱控温稳定性进而影响仪器保留时间的问题，设计出一款基于ADS1256采集芯片的高精度柱箱温度控制系统。柱箱是气相色谱仪的关键部件,柱箱温度的变化是直接影响气相色谱仪分析数据的准确性的因素之一,因此,提高柱箱温度控制系统的准确测量和控制,以提高气相色谱仪的整体性能显得很有必要。
本设计基于ADS1256采集芯片，配合最高主频1.8G的CPU主控芯片以及相关硬件电路、多路高精度采集加热控温模块，通过模糊自整定PID控制算法调整参数，从而实现对气相色谱仪的精准控温。
本发明技术方案基于ADS1256高精度ADC(采集芯片)，ADS1256采用如下配置方法改变通道：在每一个通道改变命令发出时，要连续执行SYNC、WAKEUP,忽略DRDY电平状态。但SYNC、WAKEUP、DRDY三个命令之间要满足大于最小时间间隔24/72000000S之后写入RDATA命令读取数据。每一次通道改变时都执行以上操作。单通道时同步的时刻发生在SYNC命令后33.51ms处，多通道时由于紧随SYNC命令后有WAKEUP命令，同步发生在WAKEUP命令写入的第一个SCLK时钟的上升沿，单通道时无需因执行同步而丢弃此时采集到的数据。写入SYNC，再入WEAKUP命令。采用6通道分别控制六路加热模块和六路采集模块。采集模块包括温度传感器及采集电路。其中六路加热模块和采集模块要均匀间隔，均匀分布在柱箱中。采集到的数据传输进CPU，六路所得数据进行平均，若温差大于0.1℃，分别单点控温，若温差小于0.05℃则取平均值单独控温。在CPU中通过模糊PID控制方法(自适应PID算法)综合六路数据在CPU中快速计算并调整参数。由于传输效率取决于主控芯片CPU，故使用USB3.0接口传输数据，其中电路中用到的电阻采用高精度、低温飘电阻。基准电压源选用高精度基准电源，且满足超低静态电流小于1A，精度小于±0.11％，噪声30μVRMS(10Hz至100kHz)，瞬态响应足够快的线性稳压电源。柱箱内部材料采用镀金空心高导无氧铜。
本发明的关键创新点至少在于：
1.柱箱内采用六路加热方法以色谱柱为中心，均匀散布在色谱柱周边，所得数据进行平均，若温差大于0.1℃，分别单点控温，若温差小于0.05℃则取平均值单独控温。
2.ADS1256采用如下配置方法改变通道：在每一个通道改变命令发出时，要连续执行SYNC、WAKEUP,忽略DRDY电平状态。但三个命令之间要满足大于最小时间间隔24/72000000S之后写入RDATA命令读取数据。每一次通道改变时都执行以上操作。单通道时同步的时刻发生在SYNC命令后33.51ms处，多通道时由于紧随SYNC命令后有WAKEUP命令，同步发生在WAKEUP命令写入的第一个SCLK时钟的上升沿，单通道时无需因执行同步而丢弃此时采集到的数据。写入SYNC后，写入WEAKUP。
3.通过模糊PID综合六路数据在CPU中快速计算并调整参数，传输效率取决于主控芯片，故使用USB3.0接口传输数据，其中电阻采用高精度、低温飘电阻。
4.高精度基准电压源选用可满足超低静态电流小于1A，精度小于±0.11％，噪声30μRMS(10Hz至100kHz)，瞬态响应足够快的线性稳压电源。
5.柱箱内部材料采用镀金空心高导无氧铜。
本发明的有益效果至少在于：
本发明可提高温控控制系统的响应时间，提高测样准确度，且技术方案相对于加保温棉等传统手段更有效，且有效解决单一铂电阻测温、无法精准控制柱箱温度分布不均从而导致色谱柱整体温度不稳定的控温问题，其中的高精度采集电路，抗干扰能力强，方法简单，可靠性好。
本发明经过实验，在实验室条件下实验室温差在3℃范围内波动的长期控温精度小于0.006℃，柱箱内边缘及核心区温差小于0.001℃，保留时间重现性小于0.006％，最大升温速率接近280℃/min。且可通过读取CPU数据，精准了解和控制柱箱内部温度的实时数据。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高精度柱箱温度控制系统，其特征在于，包括依次连接的：加热模块、采集模块、CPU；所述加热模块、采集模块采用多路设置，多路所述加热模块、采集模块以所述柱箱中的色谱柱为中心分布；其中：
所述CPU将多路所述采集模块采集到的温度进行平均，若多路所述采集模块采集到的温度与平均值的温差大于第一预设值，则控制多路所述加热模块进行单点控温；若多路所述采集模块采集到的温度与平均值的温差小于第二预设值，则控制多路所述加热模块取平均值进行单独控温；同时所述CPU采用自适应PID算法综合六路数据在所述CPU中快速计算并调整参数。
2.根据权利要求1所述的高精度柱箱温度控制系统，其特征在于，所述柱箱温度控制系统还包括采集芯片，所述采集芯片连接在所述采集模块和所述CPU之间，所述采集芯片采用如下配置方法改变通道：
在每一个通道改变命令发出时，要连续执行SYNC、WAKEUP,忽略DRDY电平状态；SYNC、WAKEUP、DRDY三个命令之间要满足大于最小时间间隔24/72000000S之后写入RDATA命令读取数据；每一次通道改变时都执行以上操作；单通道时同步的时刻发生在SYNC命令后33.51ms处，多通道时由于紧随SYNC命令后有WAKEUP命令，同步发生在WAKEUP命令写入的第一个SCLK时钟的上升沿，单通道时无需因执行同步而丢弃此时采集到的数据；写入SYNC，再入WEAKUP命令。
3.根据权利要求2所述的高精度柱箱温度控制系统，其特征在于，所述采集芯片采用ADS1256高精度ADC。
4.根据权利要求1所述的高精度柱箱温度控制系统，其特征在于，所述第一预设值为0.1℃，所述第二预设值为0.05℃。
5.根据权利要求1所述的高精度柱箱温度控制系统，其特征在于，所述加热模块、采集模块采用6路设置，6路所述加热模块、采集模块以所述柱箱中的色谱柱为中心均匀分布。
6.根据权利要求1所述的高精度柱箱温度控制系统，其特征在于，所述CPU采用最高主频1.8G的主控芯片。
7.根据权利要求6所述的高精度柱箱温度控制系统，其特征在于，所述主控芯片采用USB3.0接口传输数据。
8.根据权利要求1所述的高精度柱箱温度控制系统，其特征在于，所述温度控制系统中电路所用到的电阻为高精度、低温飘电阻。
9.根据权利要求1所述的高精度柱箱温度控制系统，其特征在于，所述温度控制系统中基准电压源选用高精度基准电源，且为超低静态电流小于1A，精度小于±0.11％，噪声30μVRMS，瞬态响应快的线性稳压电源。
10.根据权利要求1所述的高精度柱箱温度控制系统，其特征在于，所述柱箱内部材料采用镀金空心高导无氧铜。
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