CN115639865A

CN115639865A - 一种高纯气体分析仪温度控制装置

Info

Publication number: CN115639865A
Application number: CN202211219343.8A
Authority: CN
Inventors: 郭力振; 卜芳; 缪寅宵; 卢仕兆; 沈兆欣
Original assignee: Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology
Current assignee: Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2023-01-24

Abstract

本发明提出了一种高纯气体分析仪温度控制装置，能够同时实现对8路目标的温度进行精准检测和控制。本发明包括电源电路、温度传感器、温度信号调理电路、温度信号模数转换电路以及温度加热控制电路。其中基于多路分时复用PID算法的多路同步温度加热控制电路，简化了复杂控制算法，又实现对多路温度的精准控制，温度传感器、温度信号调理电路和温度信号模数转换电路形成八通道温度检测单元，能够同时实现对8路目标的温度进行精准检测和控制，运用于对高纯气体分析仪和色谱仪的色谱柱和氦离子化检测器的温度检测及控制，温度检测精度高，温度控制准度高。

Description

一种高纯气体分析仪温度控制装置

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，具体涉及一种高纯气体分析仪温度控制装置。

背景技术

对高纯气体分析仪的色谱柱工作温度的检测和控制的精准度直接影响色谱柱对样品各组分的分离度和分离时间，进而影响高纯气体分析仪的灵敏度与重现性。对高纯气体分析仪的检测器工作温度检测与控制的精准度直接影响着检测器对高纯气体中痕量组分检测的精度。因此发明一种检测精度高，控制精度准的高纯气体分析仪温度控制装置有着十分重要的现实意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种高纯气体分析仪温度控制装置，能够同时实现对8路目标的温度进行精准检测和控制。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

本发明的一种高纯气体分析仪温度控制装置，包括电源电路、温度传感器、温度信号调理电路、温度信号模数转换电路以及温度加热控制电路；其中，所述电源电路用于给各个电路供电；所述温度加热控制电路为基于多路分时复用PID算法的多路同步温度加热控制电路，包括控制器、通信单元和加热控制电路，所述控制器包括ARM处理器，所述加热控制电路包括驱动器ULN2803、继电器以及加热棒；所述温度传感器用于测量待测仪器的温度，温度信号调理电路将温度传感器采集的温度信号按变化量转换为线性的适合模数转换电路输入的标准信号，所述温度信号模数转换电路将输入的模拟信号进行数字化；各路温度传感器与信号各信号输入端子相连接，各信号输入端子分别与各路信号调理电路相连，各路信号调理电路与温度信号模数转换电路相连，模数转换电路的模数转换器数字接口与控制器相连接，控制器与各路加热控制电路相连；所述控制器通过ARM处理器连接加热控制电路的驱动器 ULN2803，控制加热控制电路各个继电器的通断；继电器与各个加热棒相连，继电器输出 PWM信号直接控制加热的功率，所述PWM信号是根据当前测温情况通过算法得到的；所述通信单元与上位机进行通信，上位机实时接收温度数据，并设置控制温度。

其中，温度传感器和温度信号调理电路均有8路，温度信号模数转换电路为八路模数转换电路。

其中，每个温度信号调理电路分为均包括第一阶段调理电路和第二阶段调理电路；

第一阶段调理电路中，JP1、JP2、JP3、JP4、JP5、JP6、JP7和JP8分别作为8路温度传感器的接口，其中INxA接温度传感器的地线，INxB和INxB1接温度传感器的正线，其中x＝0～7； 8个两隔离型变送器U1～U8，用于现场单路温度信号采集，将温度传感器上0～500℃的温度变化按变化量转换为线性标准0～5V电压信号；8个两隔离型变送器的零点调节电阻和满度调节电阻为R111～R126；电阻R9～R16和电容C11～C18为8个滤波电路，实现对8个两隔离型变送器的输出信号；

第二阶段调理电路的电路包括8个双运算放大器芯片N1～N8及电阻电容，其中8个双运算放大器芯片及电阻电容共同构成了8个跟随电路和8个比例运算电路，将第一阶段调理电路的输出信号CHx进行跟随和分压处理。

其中，所述模数转换电路采用8通道16位电荷再分配逐次逼近型寄存器型模数转换器，采用模数转换器的内部基准2.5V作为采样基准；输出采用4线制SPI串行通信与控制器进行通信，通过AD_DO、AD_SCK、AD_DI和AD_CNV与控制器之间实现数据的传递以及功能配置；第二阶段调理电路的输出CHIN0-CHIN7与模数转换器CL1689的输入管脚分别相连，模数转换器的11、12、13、14脚为数字输出接口，通过排阻RP2与ARM处理器相连。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，温度加热控制电路包括达林顿管U9、8个SSR-24V 固态继电器K1～K8、220V交流电的接口P3、一次性贴片保险丝F1、8路加热通道的加热棒的接口JP11～JP18、LED1～LED8、电阻R1～R8以及电容C3、C7、C8、C27、C28、C29、C30、C31、C32和C33；其中达林顿管U9用于将控制器TTL电平提高到24V，实现控制器控制 SSR-24V固态继电器的闭合和断开；8个SSR-24V固态继电器K1～K8，用于控制8路加热通道的220vL和POUTx导通和断开，实现控制8路加热通道的加热棒是否开启加热控制；对于220V交流电的接口P3，220vL接220V交流电的火线，220vN接220V交流电的零线；一次性贴片保险丝F1，用于防止加热短路烧坏仪器；8路加热通道的加热棒的接口JP11、JP12、 JP13、JP14、JP15、JP16、J1P7和JP18，其中POUTx接加热棒的火线，220vN接加热棒的零线；LED1～LED8用于PWM控制加热的可视化，电阻R1～R8起降压作用，电容C3、C7、C8、 C27、C28、C29、C30、C31、C32和C33用于对24V控制信号进行滤波去耦。

其中，继电器驱动器U9的集电极分别与各固态继电器的反向输入端相连；每个固态继电器的开关端子，一端连接220V交流电的火线，另一端连接加热棒的一端，加热棒的该端连接火线，另一端连接零线。

其中，所述温度传感器使用PT100铂热电阻。

有益效果：

1、本发明包括电源电路、温度传感器、温度信号调理电路、温度信号模数转换电路以及温度加热控制电路。其中基于多路分时复用PID算法的多路同步温度加热控制电路，简化了复杂控制算法，又实现对多路温度的精准控制，能够同时实现对8路目标的温度进行精准检测和控制，运用于对高纯气体分析仪的温度检测及控制，温度检测精度高，温度控制准度高。

2、本发明中温度传感器、温度信号调理电路和温度信号模数转换电路形成八通道温度检测单元，测温采用恒流源方法，温度传感器基于PT100传感器，温度信号调理电路基于温度隔离变送器模块，温度信号模数转换电路基于24位分辨率模数转换器；温度加热控制电路中所涉及的微弱电流检测器可以直接通过RS485接口直接与上位机进行通信，上位机可实时接收8路温度数据，并设置控制温度。温度传感器使用的PT100铂热电阻，该热电阻传感器具有精度高、性能可靠、温漂小、线性度好等优势，测量精度能够长时间地保持在0.1℃以上，测温范围等够达-200℃～650℃，满足高纯气体分析仪对温度检测精度和范围的要求。

3、本发明模数转换电路的模数转换器具体是8通道16位电荷再分配逐次逼近型寄存器(SAR) 型模数转换器(ADC)，数据吞吐速率高达250ksps；本电路采用模数转换器(ADC)的内部基准2.5V作为采样基准；输出采用4线制SPI串行通信与控制器进行通信，通过AD_DO、 AD_SCK、AD_DI和AD_CNV与控制器之间可以实现数据的传递以及功能配置。

4、本发明的温度加热控制电路依据Pt100铂电阻测量的工作环境温度，以达林顿管、固态继电器为控制单元，以大功率交流加热套为加热体的八通道加热控制单元，使用位置式PID 控制算法控制加热过程，通过调节PWM输出占空比，进一步控制SSR-24V固态继电器的导通何闭合实现加热棒的控制，进而转化为一个PWM周期内加热棒加热的时间，从而实现温度的精确控制。

附图说明

图1为本发明温度控制装置总体框图。

图2为本发明第一阶段调理电路的电路原理图。

图3为本发明第二阶段调理电路的电路原理图。

图4为本发明温度信号模数转换电路原理图。

图5为本发明温度加热控制电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了高纯气体分析仪温度控制装置，总体方案框图如图1所示，包括电源电路、温度传感器、温度信号调理电路、温度信号模数转换电路以及温度加热控制电路；电源电路用于给各个电路供电；本实施例中，温度传感器和温度信号调理电路均有8路，温度信号模数转换电路为八路模数转换电路；温度加热控制电路为基于多路分时复用PID算法的多路同步温度加热控制电路，包括控制器、通信单元和加热控制电路，所述控制器包括ARM处理器，所述加热控制电路包括驱动器ULN2803、继电器以及加热棒；具体地8路温度传感器与信号输入端子JP1-JP8相连接，各信号输入端子分别与各路信号调理电路相连，8路信号调理电路与八路模数转换电路相连，模数转换电路的模数转换器数字接口与控制器相连接；控制器与各路加热控制电路相连，具体地，所述控制器通过ARM处理器连接加热控制电路的驱动器ULN2803，进而控制加热控制电路8个继电器K1-K8的通断，继电器与8个加热棒JP11-JP18 相连，继电器输出POUT1-8输出PWM信号直接控制加热的功率，PWM信号是根据当前测温情况通过算法得到的，进而完成闭环控制。

较佳地，基于多路分时复用PID算法的多路同步温度加热控制电路，简化了复杂控制算法，又实现对多路温度的精准控制；温度加热控制电路中所涉及的微弱电流检测器可以直接通过 RS485接口直接与上位机进行通信，上位机可实时接收8路温度数据，并设置控制温度，能够同时实现对8路目标的温度进行精准检测和控制。

进一步地，所述温度传感器使用PT100铂热电阻，该热电阻传感器具有精度高、性能可靠、温漂小、线性度好等优势，测量精度能够长时间地保持在0.1℃以上，测温范围等够达-200℃～650℃，满足高纯气体分析仪对温度检测精度和范围的要求。

温度信号调理电路将温度传感器采集的温度信号按变化量转换为线性的适合模数转换电路输入的标准信号，本装置将温度信号按变化量转换为0-2.5V的标准模电压信号。每个温度信号调理电路分为两部分电路，包括第一阶段调理电路和第二阶段调理电路。

第一阶段调理电路的电路原理图如图2所示，JP1、JP2、JP3、JP4、JP5、JP6、JP7、JP8分别作为8路温度传感器(三线制PT100铂热电阻)的接口，其中INxA(x＝0～7)接PT100铂热电阻的地线，INxB(x＝0～7)和INxB1(x＝0～7)接PT100铂热电阻的正线。U1～U8为8个小体积两隔离型变送器，专门用于现场单路温度信号采集，可以将PT100铂热电阻上0～500℃的温度变化按变化量转换为线性标准0～5V电压信号。电阻R111～R126为8个小体积两隔离型变送器的零点调节电阻和满度调节电阻。电阻R9～R16和电容C11～C18为8个滤波电路，以实现对8个小体积两隔离型变送器的输出信号，即0～5V电压信号INx(x＝0～7)进行滤波和去噪为 CHx(x＝0～7)信号。

第二阶段调理电路的电路原理图如图3所示，第二阶段调理电路由8个双运算放大器芯片 N1～N8及电阻电容组成。8个双运算放大器芯片及电阻电容共同构成了8个跟随电路和8个比例运算电路，将第一阶段调理电路的输出信号CHx(x＝0～7)进行跟随和分压处理。跟随处理起到了缓冲和隔离的作用，减小第一阶段调理电路对接下来模数转换电路的影响，分压处理则将第一阶段调理电路的输出电压信号变为适合模数转换电路的模数转换器的输入信号 CHINx(x＝0～7)。

以第一路测温通道为例，JP1作为第一路PT100铂热电阻传感器接口，IN0A接第一路PT100 铂热电阻的地线，IN0B和IN0B1接第一路PT100铂热电阻的正线。U1实现将第一路PT100 铂热电阻上温度转换为标准0～5V之间的电压信号IN0；电阻R111作为小体积两隔离型变送器U1的零点调节电阻，可以实现在检测温度为0℃对小体积两隔离型变送器U1的输出电压信号IN0微调为0V，以消除零点误差。电阻R112作为小体积两隔离型变送器U1的满度调节电阻，可以实现在检测温度为500℃对小体积两隔离型变送器U1的输出电压信号IN0微调为5V，以消除满度误差。电阻R9和电容C11组成滤波电路，为小体积两隔离型变送器 U1的输出电压信号IN0滤除纹波和降低噪声，电压信号IN0经过滤波和降噪后变为电压信号CH0。第一路测温通道的第二阶段调理电路部分由运算放大器N1A和运算放大器N2A及电阻电容组成。运算放大器N1A，双运算放大器芯片N1中的第一个运算放大器，它构成跟随电路，对信号CH0进行了跟随处理。运算放大器N2A，是双运算放大器芯片N2中的第一个运算放大器，它和电阻R17、R25，电容C37构成比例运算电路对进行跟随处理后的CH0 信号进行分压处理。其中R17和R25应该选择低温漂精密电阻以减少温度和电阻噪声对检测信号的影响。电阻R21和电容C40也是对第一路测温通道的第二阶段调理电路部分的输入信号CHIN0进行一个滤波和降噪。信号调理电路IB2012的第11脚(输出管脚)OUTx(x＝0-7) 与电阻R9-R16相连接，各个电阻分别与电容C11-C18的CH0-CH7端相连接，电容的另一端接地。CH0-CH7与第二阶段调理电路中的运放N1A、N3A、N5A、N7A的第3脚(同向输入端)相连，与N1B、N3B、N5B、N7B的第5脚(同向输入端)相连。

温度信号模数转换电路是将输入的模拟信号进行数字化，以便于系统能够对信号进行数字处理和利用。本实施例的模数转换电路如图4所示。模数转换电路的核心是模数转换器(ADC)，本装置采用的是一款国产的8通道16位电荷再分配逐次逼近型寄存器(SAR)型模数转换器 (ADC)，数据吞吐速率高达250ksps；本电路采用模数转换器(ADC)的内部基准2.5V作为采样基准；输出采用4线制SPI串行通信与控制器进行通信，通过AD_DO、AD_SCK、AD_DI 和AD_CNV与控制器之间可以实现数据的传递以及功能配置。第二阶段调理电路的输出 CHIN0-CHIN7与模数转换器CL1689的16、17、18、19、6、7、8、9脚(输入管脚)分别相连。模数转换器的11、12、13、14脚为数字输出接口，通过排阻RP2与ARM处理器相连。

温度加热控制电路依据Pt100铂电阻测量的工作环境温度，使用位置式PID控制算法控制加热过程，通过调节PWM输出占空比，进一步控制SSR-24V固态继电器的导通何闭合实现加热棒的控制，进而转化为一个PWM周期内加热棒加热的时间，从而实现温度的精确控制。温度加热控制电路的电路原理图如图5所示，U9为达林顿管，用于将控制器TTL电平提高到24V，实现控制器控制SSR-24V固态继电器的闭合和断开；K1～K8为8个SSR-24V固态继电器，用于控制8路加热通道的220vL和POUTx(x＝0～7)导通和断开，实现控制8路加热通道的加热棒是否开启加热控制；P3为220V交流电的接口，220vL接220V交流电的火线，220vN 接220V交流电的零线，F1为一次性贴片保险丝，防止加热短路烧坏仪器引起火灾等事故的发生。JP11、JP12、JP13、JP14、JP15、JP16、J1P7、JP18分别作为8路加热通道的加热棒的接口，其中POUTx接加热棒的火线，220vN接加热棒的零线。LED1～LED8主要用于PWM控制加热的可视化，电阻R1～R8主要起降压作用，以保护LED。电容C3、C7、C8、C27、C28、 C29、C30、C31、C32、C33主要用于对24V控制信号进行滤波去耦。继电器驱动器U9的第 11-18脚(集电极)分别与各固态继电器的第1脚(反向输入端)相连。每个固态继电器的开关端子，一端连接220V交流电的火线，另一端连接加热棒的一端，加热棒的该端连接火线，另一端连接零线。

以第一路加热控温通道为例，控制器将模数转换单元获取的第一路的温度值和设定的目标温度值代入到位置式PID控制算法中，控制器将计算得到的PWM波通过OUT0输出至U9的 1B引脚，U9将1B引脚上输入的3.3V控制信号转化为24V控制信号，通过U9的1C引脚输出至K1的1脚，当PWM波周期中为高电平时K1闭合，为低电平时K1断开。当K1闭合式时控制JP11加热，断开时JP11停止加热。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高纯气体分析仪温度控制装置，其特征在于，包括电源电路、温度传感器、温度信号调理电路、温度信号模数转换电路以及温度加热控制电路；其中，所述电源电路用于给各个电路供电；所述温度加热控制电路为基于多路分时复用PID算法的多路同步温度加热控制电路，包括控制器、通信单元和加热控制电路，所述控制器包括ARM处理器，所述加热控制电路包括驱动器ULN2803、继电器以及加热棒；所述温度传感器用于测量待测仪器的温度，温度信号调理电路将温度传感器采集的温度信号按变化量转换为线性的适合模数转换电路输入的标准信号，所述温度信号模数转换电路将输入的模拟信号进行数字化；各路温度传感器与信号各信号输入端子相连接，各信号输入端子分别与各路信号调理电路相连，各路信号调理电路与温度信号模数转换电路相连，模数转换电路的模数转换器数字接口与控制器相连接，控制器与各路加热控制电路相连；所述控制器通过ARM处理器连接加热控制电路的驱动器ULN2803，控制加热控制电路各个继电器的通断；继电器与各个加热棒相连，继电器输出PWM信号直接控制加热的功率，所述PWM信号是根据当前测温情况通过算法得到的；所述通信单元与上位机进行通信，上位机实时接收温度数据，并设置控制温度。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，温度传感器和温度信号调理电路均有8路，温度信号模数转换电路为八路模数转换电路。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，每个温度信号调理电路分为均包括第一阶段调理电路和第二阶段调理电路；

第一阶段调理电路中，JP1、JP2、JP3、JP4、JP5、JP6、JP7和JP8分别作为8路温度传感器的接口，其中INxA接温度传感器的地线，INxB和INxB1接温度传感器的正线，其中x＝0～7；

8个两隔离型变送器U1～U8，用于现场单路温度信号采集，将温度传感器上0～500℃的温度变化按变化量转换为线性标准0～5V电压信号；8个两隔离型变送器的零点调节电阻和满度调节电阻为R111～R126；

电阻R9～R16和电容C11～C18为8个滤波电路，实现对8个两隔离型变送器的输出信号；

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述模数转换电路采用8通道16位电荷再分配逐次逼近型寄存器型模数转换器，采用模数转换器的内部基准2.5V作为采样基准；输出采用4线制SPI串行通信与控制器进行通信，通过AD_DO、AD_SCK、AD_DI和AD_CNV与控制器之间实现数据的传递以及功能配置；第二阶段调理电路的输出CHIN0-CHIN7与模数转换器CL1689的输入管脚分别相连，模数转换器的11、12、13、14脚为数字输出接口，通过排阻RP2与ARM处理器相连。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，温度加热控制电路包括达林顿管U9、8个SSR-24V固态继电器K1～K8、220V交流电的接口P3、一次性贴片保险丝F1、8路加热通道的加热棒的接口JP11～JP18、LED1～LED8、电阻R1～R8以及电容C3、C7、C8、C27、C28、C29、C30、C31、C32和C33；其中达林顿管U9用于将控制器TTL电平提高到24V，实现控制器控制SSR-24V固态继电器的闭合和断开；8个SSR-24V固态继电器K1～K8，用于控制8路加热通道的220vL和POUTx导通和断开，实现控制8路加热通道的加热棒是否开启加热控制；对于220V交流电的接口P3，220vL接220V交流电的火线，220vN接220V交流电的零线；一次性贴片保险丝F1，用于防止加热短路烧坏仪器；8路加热通道的加热棒的接口JP11、JP12、JP13、JP14、JP15、JP16、J1P7和JP18，其中POUTx接加热棒的火线，220vN接加热棒的零线；LED1～LED8用于PWM控制加热的可视化，电阻R1～R8起降压作用，电容C3、C7、C8、C27、C28、C29、C30、C31、C32和C33用于对24V控制信号进行滤波去耦。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，继电器驱动器U9的集电极分别与各固态继电器的反向输入端相连；每个固态继电器的开关端子，一端连接220V交流电的火线，另一端连接加热棒的一端，加热棒的该端连接火线，另一端连接零线。

7.如权利要求1-6任意一项所述的装置，其特征在于，所述温度传感器使用PT100铂热电阻。