2009年儀卓故術(shù)與傳贏2009第5期熱重分析儀中去皮調(diào)零方法的改進(jìn)鄒豪杰,陳衛(wèi)兵,周序生,譚傳武,李長(zhǎng)云(湖南工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院湖南株洲412008)摘要:熱重分析儀的稱重部分需要去皮調(diào)零操作。結(jié)合稱重部分已有的信號(hào)放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和微處理器基于數(shù)檨轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了一種去皮、調(diào)零電路,采用文中提出的估值一逐位逼近算法調(diào)整稱重電路的零點(diǎn),實(shí)現(xiàn)大范圍快速去皮調(diào)零。實(shí)際測(cè)量結(jié)果顯示:對(duì)超過(guò)所選量程的皮重能精確去皮,去皮調(diào)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(diào)零;估值一逐位遁近算法中圖分類號(hào):TF272文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(shù)模轉(zhuǎn)換芯片本身存在一定的非線性,調(diào)整結(jié)果往往不準(zhǔn)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(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了去皮調(diào)零電路提出估值一逐位逼環(huán))下測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度變化的儀器。廣泛應(yīng)用于有機(jī)、近算法對(duì)數(shù)字化去皮方法進(jìn)行改進(jìn)。先通過(guò)2次測(cè)量,計(jì)算去石化、建材、化纖、冶金、陶瓷、制藥等領(lǐng)域,主要用來(lái)觀察樣品皮調(diào)零值取其高位作為粗略值然后采用逐位通近方法設(shè)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(diào)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熱重分析儀稱重硬件電路單元、氣氛控制單元、計(jì)算機(jī)等組成。熱重(TG)分析時(shí),為避熱重分析儀電子天平結(jié)構(gòu)如圖1所示,由稱重傳感器、信免試樣內(nèi)部存在溫度梯度引起二次效應(yīng),所取試樣量一般很號(hào)放大濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)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(diào)零電路等組成。稱重傳感器輸出的電壓信號(hào)送到信號(hào)放故熱重分析儀量程非常小,最小量程僅1mg對(duì)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(hù)天平托盤需要用坩堝盛放樣品。而坩堝數(shù)轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)。微處理器為稱量部分控制中心,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(zhí)行設(shè)置電路增益進(jìn)行量程切換、設(shè)置濾波參數(shù)讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)去皮操作。字量及與上位機(jī)通信等。按鍵模塊用來(lái)設(shè)置參數(shù)和接受外部傳統(tǒng)的去皮操作,常采用人工調(diào)整電位器的方法實(shí)現(xiàn),存命令。利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的去皮、調(diào)零電路在微處理器控制在需要人工干預(yù)、調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)、調(diào)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(diào)零電路的軟件方法不能實(shí)現(xiàn)皮重超過(guò)所選量程的情況。文獻(xiàn)[1]提出輸出適當(dāng)?shù)娜テふ{(diào)零電壓精確調(diào)整稱重電路零點(diǎn)。采用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)零的方法只適用于平衡電橋;文獻(xiàn)[2]利用數(shù)字電位器組成三級(jí)去皮電路,采用快速折半算法尋找去稱重傳感器皮零點(diǎn)但整個(gè)去皮過(guò)程需12,并且調(diào)整特確度在整個(gè)范圍內(nèi)并不一致,皮重越大調(diào)整精度越低。文獻(xiàn)[3]采用數(shù)模轉(zhuǎn)換中國(guó)煤化工電路實(shí)現(xiàn)調(diào)零,通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算得出調(diào)零值沒(méi)有反饋機(jī)制但CNMHG按基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60m31);湖南省教育廳基金項(xiàng)目2去皮調(diào)零電路設(shè)計(jì)圖1熱重分析儀稱重部分結(jié)構(gòu)框圖收稿日期:2008-11-20收修改稿日期:2008-12-10當(dāng)熱重分析儀使用環(huán)境改變,電路參數(shù)發(fā)生徵小變化時(shí)Instrument Technique and SensorMay.2009將引起稱取電路零點(diǎn)漂移,為使其恢復(fù)零點(diǎn)而采取的調(diào)整措出的偏差要保證在調(diào)零所能調(diào)整的范圍內(nèi),調(diào)零操作使稱重電施稱為調(diào)零。去皮操作是讓天平在有負(fù)載的情況下恢復(fù)到零路輸出更接近零。該熱重分析儀中信號(hào)放大電路的放大器為點(diǎn)調(diào)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(shù)轉(zhuǎn)換器為24位分辨率的AD4微處這兩種操作的作用類似,有一定的相關(guān)性。在稱量過(guò)程中按理器為 ATMEGA16。所設(shè)計(jì)的去皮電路調(diào)零電路如圖2所下去皮按鍵后,先執(zhí)行去皮操作,再執(zhí)行調(diào)零操作。去皮后輸。稱重傳楚K Syme Vd ReB-OAGnd±12VVTbBAGndGnd IOVdd VreBAGnd圖2去皮調(diào)零電路原理圖稱重傳感器為電磁力平衡傳感器,可調(diào)整輸出電壓在0~算出的去皮調(diào)零DAC數(shù)字值低n位置為零從高到低逐位試探7.5Ⅴ范圍內(nèi)。稱重傳感器輸出信號(hào)經(jīng)簡(jiǎn)單RC濾波后傳送性地設(shè)置低n位使輸出電壓逼近零點(diǎn)保證去皮調(diào)零精確度。到儀表放大器AD6324的ⅣN-端,去皮、調(diào)零電路輸出的調(diào)節(jié)電2次測(cè)量估箅去皮調(diào)零粗略偵工作原理如下壓傳輸?shù)紸D624的IN+輸入端,AD624對(duì)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(dāng)天平托盤中有坩鍋時(shí),傳感器輸出負(fù)為電壓,通過(guò)調(diào)整去皮調(diào)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(nèi)),兩端差分電壓為212x,0v零實(shí)現(xiàn)去皮調(diào)零功能。去皮電路、調(diào)零電路由數(shù)模轉(zhuǎn)換器式中:Code為去皮電路DAC數(shù)字值;Remv為DAC參考電DAC7552和運(yùn)算放大器0H07組成。DAC7552包含2路數(shù)模轉(zhuǎn)壓。換器,A通道與U2組成去皮電路,B通道與U3組成調(diào)岑電路。調(diào)零電路OP07設(shè)計(jì)成雙極性輸出電路則DAC7552的參考電壓由T431提供,參考電壓設(shè)定為4.096VDe_+ADore去皮電路中OP07設(shè)計(jì)成反相放大電路,將DAC752輸出的0Code4.095V電壓轉(zhuǎn)換為0~-4.095V電壓,經(jīng)1000電阻連接(3)到AD624的IN+輸入端;調(diào)零電路的OP7設(shè)計(jì)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(shù)模轉(zhuǎn)換器B通道輸出的電壓;Code-為調(diào)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(shù)字值;V-為調(diào)零電壓變化到約-4V調(diào)零電路引起IN+電壓變化約±2mV.實(shí)際去皮電壓、調(diào)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(diào)節(jié)電位器Rwx、Rwr可以AD624N+端其電壓為調(diào)整OP07輸出的零點(diǎn)。在不需要去皮時(shí),去皮電路輸出0VRaRe對(duì)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(xiàn)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(diào)零電路在微處理器的控制下利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)不變中國(guó)煤化工去皮調(diào)零操作,具體的調(diào)整方法為估值-逐位逼近法,分2個(gè)CNMHGG步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一步,系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量2次計(jì)算出使輸出為零其他參數(shù)不變化僅去皮電路調(diào)整引起v的變化為所需設(shè)置的去皮、調(diào)零DAC數(shù)字值。但由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器存在xGx△V的非線性、不穩(wěn)定性因此該值作為粗略值。第二步,將計(jì)RuRe+RuRu+r re豪杰等:熱重分析儀中去皮調(diào)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(diào)零結(jié)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(cè)量每次稱量的時(shí)間很短使用環(huán)境基本不變可以認(rèn)為R3、的次數(shù)僅僅是快速折半法的一半Rx、Ra、G、Ref4mw為常數(shù),則式(7)可以寫成↓切換量君到mg設(shè)置( deane-0進(jìn)行去皮操作時(shí)稱重系統(tǒng)量程切換為最大量程,先設(shè)置測(cè)量輸出電壓得到去皮DAC數(shù)字值 Codere=0,調(diào)零DAC數(shù)字值Code-=「x800H,即均輸出0V測(cè)量得到輸出電壓V=o;再設(shè)置去皮電路DAC數(shù)字值為一定值Code-,測(cè)量得到此時(shí)輸出電壓V,則lear低位置0令:n(9)假設(shè)設(shè)置去皮電路數(shù)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(jì)算公式o:y=×xCoe-由式(11)可算出去皮電路需設(shè)置的數(shù)字值Code對(duì)于調(diào)零電路調(diào)零操作前,將稱重系統(tǒng)量程切換為稱量圖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(cè)量時(shí), Code.為800H,設(shè)稱表1估值-逐位逼近算法中n取值對(duì)結(jié)果的影響量電路輸出電壓為V。;第二次測(cè)量時(shí),設(shè)置DAC數(shù)字值為定皮重/mgn=0n=1n=2n=3n=4值Coe,設(shè)稱量電路輸出電壓為vm.同樣可以得到計(jì)算調(diào)零電路調(diào)零粗值的計(jì)算公式oo0Code =-800H)+800H(12)表2不同算法去皮調(diào)零結(jié)果的比較mV為了更精確地調(diào)整稱重電路零點(diǎn),去皮、調(diào)零DAC數(shù)字值稱重電路輸出電壓的低位采用逐位逼近的方法設(shè)置。將計(jì)算出的 Code、Code算法低n位置零,該n位由高到低依次逐位設(shè)置,每一位先試探0 mg 50 mg 100 mg 200 mg 50直接計(jì)算法0.0070.011失敗失敗0.00性地置1,根據(jù)稱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(xiàn)結(jié)束語(yǔ)該文所設(shè)計(jì)熱重分析儀的去皮電路調(diào)零電路均采用估值釆用數(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了數(shù)字化去皮、調(diào)零電路,實(shí)現(xiàn)了在逐位通近算法進(jìn)行調(diào)整。去皮電路數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)字值越大,微處理器控制下的自動(dòng)去皮、調(diào)零。該方法具有調(diào)整時(shí)間短AD624|N+端電壓越低稱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(xiàn)過(guò)程如圖3(a)所示。而調(diào)零的弊端。與直接計(jì)算法相比,去皮調(diào)零過(guò)程中所采用的估值電路數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)字值越大,AD64ⅣN+端電壓越高,稱重電路輸出的電壓也越高。在調(diào)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(diào)零精確度條件下調(diào)整時(shí)間減少了一半。該去皮、調(diào)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3(b)所示。零方法也可以應(yīng)用在其他電子衡器中,具有廣闊的應(yīng)用前3.3測(cè)量結(jié)果利用該文設(shè)計(jì)的去皮電路、調(diào)零電路結(jié)合熱天平進(jìn)行2景。參考文獻(xiàn):項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)一:對(duì)3種不同皮重在取不同n值的情況下,各進(jìn)行1]楊光友周國(guó)柱陳定方數(shù)字電位器在平衡電橋測(cè)量中的應(yīng)用儀表技術(shù)與傳感器,2004(5):30-3110次實(shí)驗(yàn)。表1記錄估值一逐位通近法能夠調(diào)整到理論精確(2中國(guó)煤化工議中一種新的數(shù)字去皮方度的次數(shù)(理論上,調(diào)零誤差僅4μⅤ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)n取值≥3時(shí)該方法每次都能精確調(diào)整零點(diǎn)。CNMH[3]化儀器儀表2001(1):55實(shí)驗(yàn)二:通過(guò)對(duì)6種皮重進(jìn)行去皮調(diào)零實(shí)驗(yàn)比較直接計(jì)算法、快速折半法及估值一逐位逼近算法調(diào)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?yàn)榍度耸匠虨?00mg,去皮調(diào)零后稱重電路輸出電壓見(jiàn)表2。直接計(jì)算系統(tǒng)、儀器儀表。E-mail: zouhaojied@gmai