摘要： 介紹利用圖形化編程軟件LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡Lab-PC-1200構(gòu)建多路儀器溫度測控系統(tǒng)的方法和技術(shù)及應(yīng)用實例，研究了多路溫度測控系統(tǒng)的性能和精度情況。
關(guān)鍵詞：溫度測控 虛擬儀器 多路系統(tǒng)
引言
我們開發(fā)氮氧化物化學(xué)發(fā)光法分析儀時，整個系統(tǒng)有三處需要溫度測控：反應(yīng)室，鉬轉(zhuǎn)換室，光子計數(shù)器PMT。反應(yīng)室中的溫度對化學(xué)反應(yīng)（一氧化氮與臭氧反應(yīng)）有一定的影響，我們要找到最佳溫度，使反應(yīng)效率最大。鉬轉(zhuǎn)換室的溫度影響二氧化氮轉(zhuǎn)換為一氧化氮的效率，因此也需要效率最大時的溫度。溫度測量與控制的要求是：反應(yīng)室的測控溫度范圍為：30—70OC，波動：±0.5 OC；鉬轉(zhuǎn)換室的測控范圍為：250—370 OC，波動：±3 OC。光子計數(shù)器PMT受溫度的影響很大，溫度越高光子計數(shù)器PMT的暗計數(shù)越高。在對光子計數(shù)器PMT制冷的同時，對它的溫度也進行監(jiān)視，以確定其是在低溫（約5OC）環(huán)境下工作。系統(tǒng)要求測溫精度為0.05OC。
為保證系統(tǒng)要求，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，我們采用了美國國家儀器公司（National Instruments）的圖形化編程軟件系統(tǒng)LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡Lab-PC-1200，構(gòu)建了分析儀的整個溫度測控系統(tǒng)。在構(gòu)建系統(tǒng)過程中，解決了數(shù)據(jù)采集卡的多路測量與輸出控制的問題，在一定的硬件條件下，優(yōu)化程序進一步提高系統(tǒng)測控性能。對于基于虛擬儀器構(gòu)建多路測控系統(tǒng)進行了初步的探討。
溫度測控系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)將計算機，強大的圖形化編程軟件和模塊化硬件結(jié)合在一起，建立起具有靈活性的基于計算機的測量與控制應(yīng)用方案，最終構(gòu)建起滿足自己需求的系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)由以下幾個部分組成：計算機，LabVIEW，數(shù)據(jù)采集卡，溫度傳感電路，加熱控制電路。溫度信號由傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進入計算機，在計算機上運行的LabVIEW程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進行分析處理，將結(jié)果由計算機顯示出來,同時通過數(shù)據(jù)采集卡輸出控制信號給外部加熱控制電路，達到測量與控制溫度的作用。 
其中數(shù)據(jù)采集卡Lap-PC-1200是一種低廉的, 在計算機上使用的板卡。它可以采集模擬信號，數(shù)字信號，擁有定時器的功能，同時還具有模擬輸出的功能。該數(shù)據(jù)采集卡具有高性能的數(shù)據(jù)采集與控制能力，可用于實驗室測試，生產(chǎn)測試，以及工業(yè)監(jiān)視和控制。
我們主要使用的是該卡的模擬輸入與模擬輸出的功能。Lab-PC-1200數(shù)據(jù)采集卡具有八個模擬輸入通道，兩個模擬輸出通道。
八個模擬輸入通道ACH0-ACH7，其內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器是12bit逐步逼近式，你可以將其設(shè)定為八個單端信號輸入方式或四個差動信號輸入方式。該卡具有三種不同的模擬輸入模式：RSE，NRSE，DIFF輸入模式。我們設(shè)置的是RSE輸入模式，RSE輸入模式是指所有輸入信號都是參考公共地AGND（公共地在這里是指模擬輸入地）。Lab-PC-1200的模擬輸入還可以選擇單極性或雙極性。選擇單極性，輸入電壓范圍為0 to 10 V，0V 對應(yīng) 0 hex，而10 V 對應(yīng) FFF hex(4095 decimal)。選擇雙極性，輸入電壓范圍為-5 to +5 V。我們設(shè)置模擬輸入為單極性。
兩個模擬輸出通道DAC0OUT與DAC1OUT，你可以設(shè)置模擬輸出通道為單極性或雙極性輸出。單極性輸出范圍為0 to 10 V，數(shù)值范圍為0 to 4095 (0 to FFF hex)。雙極性輸出范圍為 -5 to +5 V，數(shù)值范圍為-2048 to 2047 (F800 hex to 7FF hex)。我們設(shè)置的是模擬輸出為單極性。刷新模擬輸出的電壓，這共有兩種方式：一種叫立即刷新模式（immediate update mode），當你一有數(shù)據(jù)寫入數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）時，其輸出電壓就刷新。另一種叫延遲刷新模式（delayed update mode）,只有探測到計數(shù)器A2或EXTUPDATE是低電平時，其輸出才會開始刷新。我們設(shè)置的是立即刷新模式。DAC0OUT對應(yīng)模擬輸出通道0，DAC1OUT對應(yīng)模擬輸出通道1。AGND是這兩個模擬輸出端的參考地[2]。
PMT的溫度測量
光子計數(shù)器PMT在半導(dǎo)體制冷片的作用下，溫度大約是5OC 。其溫度測量電路如圖2所示
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電路中，AD590集成溫度傳感器，它是一種恒流輸出的二端溫度器件，其內(nèi)部是經(jīng)過修正校準的控制電流源，其輸出電流與絕對溫度成正比，即
（1）
式中k為溫度系數(shù)，
（2）
AD590使用電壓范圍是DC4-30V，在此電壓范圍內(nèi)，環(huán)境溫度在-55-150℃ 變化時輸出電流與溫度具有良好的線性關(guān)系。MC1403的基準電壓源，輸出為2.5V，調(diào)整可變電阻W1使I2= 273.2mA，則
（3）
DAQ模擬輸入端ACH1(AI2)的輸入電壓即為
（4）
我們設(shè)置模擬輸入為RSE模式，單極性，則其輸入電壓范圍為0 to 10 V，同時設(shè)置其內(nèi)部放大系數(shù)為10，則其輸入電壓范圍變?yōu)? to 999.756 mV。
（5）
U為LabVIEW程序中讀取到的模擬輸入量，由式（5）可推出：
（6）
由于溫度傳感器，放大器，基準電壓源和電阻都會存在一定的偏差，因此我們使用一個標準溫度計來定標，最后將式（6）調(diào)整為：
（7）
由于模擬輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辯率為12-bit,則可以從式（7）推出溫度的最小分辯值：△t=8.06×△U=8.06×(10/4095)≈0.02,0.02OC符合系統(tǒng)要求。
反應(yīng)室的溫度測控
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電路中，RL為加熱棒；Rt為負溫度系數(shù)熱敏電阻；MOC3021為光耦；Z0409MF為可控硅；Date Acquisition Board （DAQ）是數(shù)據(jù)采集卡Lab-PC-1200, AO、AI和GND分別是它的模擬輸出端、模擬輸入端和接地端。其中數(shù)據(jù)采集卡Lab-PC-1200的配置如下：模擬輸入為RSE模式，單極性，則其輸入電壓范圍為0 to 10 V；模擬輸出為單極性，立即刷新模式。模擬輸入通道選擇ACH0，模擬輸出通道選擇DAC0OUT，模擬地AGND。
電路的工作過程可分為：溫度信號產(chǎn)生與處理,溫度控制信號生成與輸出。
1溫度信號產(chǎn)生與處理
溫度信號由測溫電路產(chǎn)生。測溫電路由R3、Rt、及DC+5V電源組成。Rt為負溫度系數(shù)熱敏電阻，其阻值與絕對溫度的關(guān)系為
（8）
上式中B、C為常數(shù)。實驗測得不同溫度下熱敏電阻阻值，把lnRT和絕對溫度T進行線性擬合，得B=4206.96 C=-10.23 。由式（8）得絕對溫度與熱敏電阻阻值的關(guān)系為：
（9）
把絕對溫度換為攝氏溫度得
（10）
50°C時，熱敏電阻阻值為16.20KW，為在50°C左右得到最大靈敏度，選取分壓電阻R3為16.20KW。由電路，已知熱敏電阻為
（11）
上式中U為熱敏電阻分壓。由式（10），（11）即可得到溫度t
電壓信號U由Lab-PC-1200的模擬輸入通道ACH0（引腳1）讀入計算機，再由LabVIEW程序計算得到溫度值t,
2溫度控制信號生成與輸出
該部分功能由程序控制數(shù)據(jù)采集卡和計算機實現(xiàn)。熱敏電壓U由模擬輸入通道ACH0（引腳1）引入數(shù)據(jù)采集卡，在程序中通過公式（10）（11）便可算出溫度t,將t與設(shè)定溫度t0進行比較，其中a與b為百分系數(shù)
（12）
如占空比大于或等于1，則表明溫度還沒有接近設(shè)定溫度，需全程加熱，數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端AO輸出全為高電平（電壓5V）。如占空比小于1，數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端AO輸出方波中的高電平的時間與方波周期之比和占空比相等。根據(jù)加熱棒的加熱能力，反應(yīng)室的散熱情況，可適當調(diào)整百分系數(shù)a和b，使得當溫度達到設(shè)定溫度時，反應(yīng)室吸收的熱量與散發(fā)的熱量相等，從而反應(yīng)室溫度處于一個動態(tài)的平衡。
在數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端AO輸出的一個方波周期內(nèi)，輸出為高電平時，光耦導(dǎo)通，R2上有分壓，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，加熱棒工作，使反應(yīng)室溫度升高。AO端輸出為低電平時，光耦不導(dǎo)通，可控硅也不導(dǎo)通，加熱棒不工作。
以上過程循環(huán)進行，使反應(yīng)室緩慢逼近設(shè)定溫度，避免了由于熱慣性太大而造成的溫度波動。該控溫系統(tǒng)可使反應(yīng)室溫度穩(wěn)定在室溫到70°C的任意溫度，溫度波動小于0.5°C，保證了實驗所需的溫度條件。控溫程序是在LabVIEW平臺上編寫的，界面生動直觀，操作方便。
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圖5 溫度測控系統(tǒng)操作界面 |
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5.結(jié)束語
本文使用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的多路溫度測控系統(tǒng)，已在大氣氮氧化物化學(xué)發(fā)光法分析儀上應(yīng)用，該系統(tǒng)精度較高，溫度波動較小。在系統(tǒng)組建過程中，由于利用了圖形化編程軟件和數(shù)據(jù)采集卡，大大縮短了系統(tǒng)組建時間，且又較經(jīng)濟。并且為多路測控系統(tǒng)的研究提供了實踐經(jīng)驗。
參考文獻
[1] LabVIEW User Manual, National Instruments, 1998
[2] Lab-PC-1200/AI User Manual, National Instruments, 1998
