CN1362653A - 计算机控制的导电样品快速线性升温装置 - Google Patents

Abstract

一种计算机控制的导电样品快速线性升温装置,通过计算机控制,由前置放大器、电流放大器、数码转换电路组成,将反应样品的温度信号经前置放大器、模数转换电路传送到计算机,在计算机中采用控制算法,计算出控制量并通过数模转换电路转换为模拟量输出,计算机的输出端接到电流放大器的输入端,电流放大器的输出端接到超高真空中的钽丝加热体,通过热传导来加热样品。它集温度控制与数据采集于一体,温控精度高、升温速率高、范围宽、线性度好。

Description

计算机控制的导电样品快速线性升温装置

本发明涉及一种适用于超高真空热脱附谱学中计算机控制的导电样品快速线性升温装置。

超高真空下的热脱附实验大多是导电样品，其本身的直流电阻很小，样品的加热、退火一般都要求快速线性升温。目前，加热一般采用电炉，通过控制220V电压，由手动操作升温仪等硬设备、数据采集和控制脱节，而且只能控制常规加热体，无法控制可加热导电样品的升温。

本发明的目的是提供一种温控精度高、升温速率高、范围宽、线性度好、计算机控制的导电样品快速线性升温装置。

本发明的技术方案是：通过计算机控制，由前置放大器、电流放大器、数码转换电路组成，将反应样品的温度信号经前置放大器、模数转换电路传送到计算机，在计算机中采用控制算法，计算出控制量并通过数模转换电路转换为模拟量输出，计算机的输出端接到电流放大器的输入端，电流放大器的输出端接到超高真空中的钽丝加热体，通过热传导来加热样品；

所述电流放大器包括：变压器、由第一～四二极管组成的桥式整流器、由第一～二电容组成的滤波器、由反馈电阻、第二～四运算放大器、第一～二继电器、时间继电器及第十二～十三半导体三极管组成的过流保护电路，由并联的第一～十一半导体三极管和设在其发射极的第一～十电阻组成的功率放大器、由第一运算放大器和第十四半导体三极管组成的控制电路，其中：变压器输入接市交流电，输出端经桥式整流器、滤波器至功率放大器输入端，所述功率放大器控制端为A点，来自控制电路的第十四半导体三极管输出端，功率放大器输出端为E点，经反馈电阻与钽丝连接，所述反馈电阻两端至过流保护器中串联的第二、第四运算放大器后分别至第十二～十三半导体三极管，第十二半导体三极管与第一～二继电器和时间继电器连接，第一～二继电器另一端至变压器，第十三半导体三极管集电极控制端来自控制电路中第一运算放大器与第十四半导体三极管的节点D处，第三运算放大器正相端经第二开关至设有过流保护第二电位器的第四运算放大器负相端，或与第二运算放大器输出相连；控制电路中的第一运算放大器正相端经第一开关与计算机相连，或与手动控制第一电位器相连；

所述计算机控制程序为：运行开始首先要输入控制参数如升温速率、最高温度，程序运行中按一定的周期采集样品上的的温度信号，依据设定的温度Ts与实际的温度Tp之差ΔT_N，计算出控制量Y(Y＝P₁ ^*{ΔT_N+T^*(∑ΔT)/P₂+P₃ ^*(ΔT_N-ΔT_(N-1))/T}，其中P₁、P₂、P₃分别为调控参数，ΔT是第一次到第n次温差累加之和，每次计算出控制量并输出后保存数据，并判断是否按下停止键，是否达到最高温度，不停止、没达到最高温度时，继续采集样品上的温度信号，否则判断是否重新开始。

本发明具有如下优点：

1.本发明用计算机控制。集温度控制与数据采集于一体，大大方便了处理数据方法，采用合适的控制算法，提高了温度控制精度，具有升温速率高、升温范围宽且线性度好等特点，升温速率范围1-80K/Sec，升温范围100-1500K。

2.本发明适合于导电样品的线性升温。其升温线性度为±0.5K，其快速线性程序升温是一般控温仪所无法能达到的；本装置即可程序控制又可手动控制，并且具有过流保护功能，可任意设定保护电流，防止输出电流过大损害样品。

图1为本发明结构示意框图。

图2为本发明控制程序流程图。

图3为本发明电流放大器电路原理图。

图4为不同速度的升温直线。

图5为在室温下CO在干净Pt(110)表面吸附的升温脱附谱图。

下面结合附图对本发明结构和工作原理作进一步详细说明。

如图1所示，通过计算机控制，由前置放大器1、电流放大器5、数码转换电路组成，将反应样品6的温度信号经前置放大器1、模数转换电路2传送到计算机3，在计算机3中采用控制算法，计算出控制量并通过数模转换电路4转换为模拟量输出，计算机3的输出端接到电流放大器5的输入端，电流放大器5的输出端接到超高真空中的钽丝加热体，通过热传导来加热样品；

如图3所示，所述电流放大器5包括：变压器Tr、由第一～四二极管D1-D4组成的桥式整流器、由第一～二电容C₁、C₂组成的滤波器、由反馈电阻R_f、第二～四运算放大器A2-A4、第一～二继电器P1、P2、时间继电器P3及第十二～十三半导体三极管T₁₂-T₁₃组成的过流保护电路，由并联的第一～十一半导体三极管T₁-T₁₁和设在其发射极的第一～十电阻R1～R10组成的功率放大器、由第一运算放大器A1和第十四半导体三极管T₁₄组成的控制电路，其中：变压器Tr输入接市交流电，输出端经桥式整流器、滤波器至功率放大器输入端，所述功率放大器控制端为A点，来自控制电路的第十四半导体三极管T14输出端，功率放大器输出端为E点，经反馈电阻Rf与钽丝7连接，所述反馈电阻R_f两端至过流保护器中串联的第二、第四运算放大器A2、A4后分别至第十二～十三半导体三极管T12-T13，第十二半导体三极管T12与第一～二继电器P1～P2和时间继电器P3连接，第一～二继电器P1、P2另一端至变压器Tr，第十三半导体三极管T13集电极控制端来自控制电路中第一运算放大器A1与第十四半导体三极管T14的节点D处，第三运算放大器A3正相端经第二开关K2至设有过流保护第二电位器SW2的第四运算放大器(A4)负相端，或与第二运算放大器A2输出相连；控制电路中的第一运算放大器A1正相端经第一开关K1与计算机相连，或与手动控制第一电位器SW1相连；

如图2所示，所述计算机控制程序为：运行开始首先要输入控制参数如升温速率、最高温度，程序运行中按一定的周期T采集样品上的的温度信号，依据设定的温度Ts与实际的温度Tp之差ΔT_N，计算出控制量Y(Y＝P₁ ^*{ΔT_N+T^*(∑ΔT)/P₂+P₃ ^*(ΔT_N-ΔT_(N-1))/T}，其中P₁、P₂、P₃分别为调控参数，ΔT是第一次到第n次温差累加之和，每次计算出控制量并输出后保存数据，并判断是否按下停止键，是否达到最高温度，不停止、没达到最高温度时，继续采集样品上的温度信号，否则判断是否重新开始。

如图4所示，表三种不同升温速率的升温情况，其升温线性度为±0.5K；

如图5所示，在室温下CO在干净Pt(110)表面吸附的升温脱附谱，升温速率为8K/sec。

本发明工作原理是：

被分析的导电样品放置在超高真空容器8里的加热体钽丝7上，依据升温范围选择不同的热电偶来检测温度，热电偶电焊在样品6的背面，热电偶输出的热电势通过温度前置放大器1放大为标准的0-5V信号输出到具有光电隔离、多路转换电路的模数转换器2，然后传送到计算机3，通过数模转换电路输出0-10V控制信号到电流放大器的输入端；

220V交流电压经变压器Tr降到10V，然后整流滤波变为约14V直流电压。电流放大器是输入端C加有14V直流电压，输出端E与钽丝7连接，而控制端B受控于计算机3输出的控制信号控制，当控制信号大时功率放大器的输出电流大，当控制信号小时输出电流小，由此达到控制样品6的温度；电流放大器的最大输出电流80安培，输出电压6伏，特别适宜导电样品6的加热；

电流放大器即可由计算机3控制，也可以手动控制。将第一开关K1置于2位置，调节第一电位器SW1可以手动控制样品6的加热温度；将第二开关K2置于2位置，调节第二电位器SW2可以设定保护电流，每当加热电流大于保护电流时，电路会自动断开线路，等待一定时间后，按RESET按扭电路又恢复正常状态，可以继续加热。

本发明所述时间继电器采用H3FA，第一～十一半导体三极管T₁-T₁₁采用2SD114，第十二～十四半导体三极管T₁₂-T₁₄采用2SC959，第一～四运算放大器A1～A4采用MC1458CP。

Claims (4)

1.一种计算机控制的导电样品快速线性升温装置，其特征在于：通过计算机控制，由前置放大器(1)、电流放大器(5)、数码转换电路组成，将反应样品(6)的温度信号经前置放大器(1)、模数转换电路(2)传送到计算机(3)，在计算机(3)中采用控制算法，计算出控制量并通过数模转换电路(4)转换为模拟量输出，计算机(3)的输出端接到电流放大器(5)的输入端，电流放大器(5)的输出端接到超高真空中的钽丝(7)加热体，通过热传导来加热样品。

2.按照权利要求1所述计算机控制的导电样品快速线性升温装置，其特征在于：所述电流放大器(5)包括：变压器(Tr)、由第一～四二极管(D1-D4)组成的桥式整流器、由第一～二电容(C₁、C₂)组成的滤波器、由反馈电阻(R_f)、第二～四运算放大器(A2-A4)、第一～二继电器(P1、P2)、时间继电器(P3)及第十二～十三半导体三极管(T₁₂-T₁₃)组成的过流保护电路，由并联的第一～十一半导体三极管(T₁-T₁₁)和设在其发射极的第一～十电阻(R1～R10)组成的功率放大器、由第一运算放大器(A1)和第十四半导体三极管(T₁₄)组成的控制电路，其中：变压器(Tr)输入接市交流电，输出端经桥式整流器、滤波器至功率放大器输入端，所述功率放大器控制端为A点，来自控制电路的第十四半导体三极管(T14)输出端，功率放大器输出端为E点，经反馈电阻(R_f)与钽丝(7)连接，所述反馈电阻(R_f)两端至过流保护器中串联的第二、第四运算放大器(A2、A4)后分别至第十二～十三半导体三极管(T12-T13)，第十二半导体三极管(T12)与第一～二继电器(P1～P2)和时间继电器(P3)连接，第一～二继电器(P1、P2)另一端至变压器(Tr)，第十三半导体三极管(T13)集电极控制端来自控制电路中第一运算放大器(A1)与第十四半导体三极管(T14)的节点D处，第三运算放大器(A3)正相端经第二开关(K2)至设有过流保护第二电位器(SW2)的第四运算放大器(A4)负相端，或与第二运算放大器(A2)输出相连；控制电路中的第一运算放大器(A1)正相端经第一开关(K1)与计算机相连，或与手动控制第一电位器(SW1)相连。

3.按权利要求1所述计算机控制的导电样品快速线性升温装置，其特征在于：所述计算机控制程序为：运行开始首先要输入控制参数如升温速率、最高温度，程序运行中按一定的周期(T)采集样品上的的温度信号，依据设定的温度Ts与实际的温度Tp之差ΔT_N，计算出控制量Y(Y＝P₁ ^*{ΔT_N+T^*(∑ΔT)/P₂+P₃ ^*(ΔT_N-ΔT_(N-1))/T}，其中P₁、P₂、P₃分别为调控参数，ΔT是第一次到第n次温差累加之和，每次计算出控制量并输出后保存数据，并判断是否按下停止键，是否达到最高温度，不停止、没达到最高温度时，继续采集样品上的温度信号，否则判断是否重新开始。

4.按权利要求1所述计算机控制的导电样品快速线性升温装置，其特征在于：所述加热体为钽丝(7)。

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