专利名称：微库仑仪三段转化炉温度自动控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及温度自动控制，更具体地指一种微库仑仪三段转化炉温度自动控制装置，该装置可对微库仑分析仪三段转化炉预热段、燃烧段、出口段温度进行精确控制。
背景技术：
转化炉温度控制为微库仑分析取得稳定的工作条件，并可以根据不同样品的分析需要设定不同工作条件，因此十分重要。传统的微库仑分析仪老产品采用模拟电路脉冲宽度调制来对温度进行控制，这种控制技术不够先进。从温度自动控制的角度看，转化炉温度控制采用脉冲宽度调制控制比较适合。涉及较为先进的用于微库仑仪的微机化的温度自动控制装置虽然没有出现，但有相关的文章发表，如“微机化微库仑分析仪”(李益民，化学传感器，Vol17，No3，1997.9)和“微机化微库仑分析仪”(张建正、高敦岳、李益民、唐干明等，华东化工学院学报，Vol 18，No.3，1992.6)两篇。在这两篇文章中，提到了结构和工作原理完全相同的转化炉温度自动控制装置。温度控制由单片微处理器实现，以设定温度与采样温度之差按照时间—比例控制规律(比例脉冲宽度调制)采用固态继电器等为控制器件控制转化炉三段温度。即其算法为IF PV＞SV THEN t＝0IF SV-PV＞P THEN t＝FSIFNSB<SV-PV<PTHENt=SV-PVP*FS]]>IF SV-PV＜NSBTHEN t＝0上式中SV-设定温度值，PV-采样温度值，P-比例带，FS-时间满带，NSB-不灵敏区，t-开关导通时间。有关参数为P＝100℃，NSB＝5℃，控制周期＝15秒，FS＝15秒。
这样的控制方案主要有以下三点不足(1)比例调节规律会产生静态误差，即实际温度稳定值和设定温度值之间存在偏差，可能达几十℃。
(2)由于静态误差会随电网电压变动，转化炉各段温度随电网电压波动而改变，不够稳定。
(3)没有考虑测温元件热电偶的冷端温度补偿，由于环境温度的变化可达几十℃，对微库仑分析仪的工作条件影响十分可观。
发明内容
本实用新型的目的是针对上述传统的温度自动控制装置以及上述所公开的文献存在的缺点，提供一种在于克服上述控制方案的不足、结构比较完善、控制比较精确的微库仑仪三段转化炉温度自动控制装置。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案该微库仑仪三段转化炉温度自动控制装置包括热电偶，毫伏放大器，A/D转换器，微处理器单元，显示驱动电路，显示电路，键盘输入电路，超温报警电路，可控硅触发器，可控硅整流器，供电电源，所述的热电偶包括三个分别设置于转化炉出口段、燃烧段、预热段的热电偶，热电偶的输出与毫伏放大器相接；所述的毫伏放大器包括三个分别与置于转化炉出口段、燃烧段、预热段的热电偶相对应的毫伏放大器，每一毫伏放大器的输入分别与相应的热电偶相接，各毫伏放大器的输出接A/D转换器和超温报警电路；所述的A/D转换器与微处理器单元之间通过串行控制总线相接，键盘输入电路也接到微处理器单元；所述的微处理器单元输出一方面通过显示驱动电路接到显示电路；另一方面通过可控硅触发器接到可控硅整流器，可控硅整流器的输出接到转化炉出口段、燃烧段、预热段的电热丝，此外微处理器单元的输出还接到超温报警电路；所述的供电电源包括主变压器、稳压电源，供电电源分别为上述各部分提供交直流工作电压。
所述的可控硅触发器和可控硅整流器均包括三个分别对应于转化炉出口段、燃烧段、预热段相对应的可控硅触发器、以及可控硅整流器，每一可控硅触发器的输入与微处理器单元相接，其输出分别接到相应的可控硅整流器。
该装置还包括热电阻、热电偶冷端温度补偿电路，所述的热电阻与热电偶冷端温度补偿电路相接，补偿电路的输出也接到A/D转换器。
该装置还包括看门狗电路，看门狗电路的输入、输出端分别与微处理器单元的P1.0和复位端相接。
所述的看门狗电路包括看门狗电路集成块U15和二个反相器U16A、U16B，集成块U15的输入引脚WDI与微处理器单元的集成芯片U5的P1.0相连，输出引脚WD0经过U16A和U16B二次反相后连接到U15的手动复位端MR，集成块U15的复位信号输出引脚RST连接到集成芯片U5的RESET端。
所述可控硅触发器为一光电耦合可控硅触发器，它包括晶体管TR4、光电耦合触发块U10、电阻R35、R36、R37，触发器的输入端口R分别与微处理器单元的端口K、L、M连接，电阻R35与晶体管TR4的基极相连，晶体管集电极经限流电阻R36连接到光电耦合触发块U10的发光二极管侧，输出端口S、T分别与可控硅整流器的T2和控制极相连接。
由于本实用新型采用了上述的技术方案，在该装置中采用了比例积分脉冲宽度调制的控制方式，与所公开的温度自动控制装置相比，本实用新型的控制装置理论上没有静态误差，实际温度稳定值和设定温度值之间的偏差很小，温度控制精确，可达±1℃；偏差差也不会随电网电压变动，因而，转化炉各段温度不会随电网电压波动而改变；同时超温报警电路和看门狗电路的增加，使得控制装置工作非常可靠；转化炉的温度达到稳定时间短、超调量小、改变温度设定值方便也均是本实用新型控制装置的优点。
图1是本实用新型控制装置对转化炉温度进行控制的原理示意框图。
图2是本实用新型控制装置的原理方框图。
图3是本实用新型控制装置中某一段的温度自动控制原理方框图。
图4是毫伏放大器电路原理图。
图5是热电偶冷端温度补偿电路的电路原理图。
图6是A/D转换器、单片微处理器单元、驱动电路、显示电路、键盘输入电路的电路原理图。
图7是超温报警电路的电路原理图。
图8是看门狗电路的电路原理图。
图9是可控硅触发器的电路原理图。
图10是主变压器、稳压电源的电路原理图。
具体实施方式
请先参阅图1所示，图中，100为转化炉，200为石英管，A、B、C分别表示转化炉100的出口段、燃烧段、预热段，转化炉100的左侧的箭头为样品的进样方向。
请再结合图2，本实用新型的自动控制装置包括三个分别置于转化炉出口段、燃烧段、预热段的热电偶1、2、3，三个与热电偶相对应的毫伏放大器4、5、6，热电阻7，热电偶冷端温度补偿电路8，串行控制A/D转换器9，微处理器单元10，驱动电路11，显示电路12，键盘输入电路13，超温报警电路14，看门狗电路15，三个可控硅触发器16、17、18，三个可控硅整流器19、20、21；主变压器22，稳压电源23。在该实施例中，可控硅触发器16、17、18均为光电耦合可控硅触发器，显示电路12为一数码管显示电路。
图3示意了控制装置中某一段的温度自动控制原理，即为预热段，在该图中，只有一个热电偶1、一个可控硅触发器16、一个可控硅整流器19，而其余各部分与图2相比均没有变化。
图2、图3中三个可控硅整流器19、20、21最终分别接电热丝24、25、26。
上述各部分之间的连接关系为热电偶1连接到毫伏放大器4的输入端，热电偶2连接到毫伏放大器5的输入端，热电偶3连接到毫伏放大器6的输入端。热电阻7连接到冷端温度补偿电路的输入端。毫伏放大器4、5、6的输出和冷端补偿电路的输出分别连接到A/D转换器9的模拟输入端，A/D转换器9和微处理器单元10之间连接有串行控制总线。微处理器单元10一方面输出数字信号到驱动电路11，驱动电路11又连接到显示电路12。微处理器单元10连接键盘输入电路13作为输入信号。超温报警电路14连接到微处理器单元10接受其数字报警信号。毫伏放大器4、5、6的输出又与超温报警电路14的三个模拟信号输入端相连接。看门狗电路15一方面接受微处理器单元10的数字信号，又反馈一个RESET信号到微处理器单元10。微处理器单元10的三个脉冲宽度调制信号输出端分别连接到可控硅触发器16、17和18的输入，它们的输出又分别连接到可控硅整流器19、20和21的控制极。可控硅整流器19、20和21的输出极连接到转化炉三段的电热丝24、25、26。供电电源包括主变压器22、稳压电源23，主变压器22有三个低压次级绕组，分别与可控硅整流器19、20和21相连。另外有两个绕组为稳压电源23馈电。稳压电源23正负稳压输出同时连接到毫伏放大器4、5、6，热电偶冷端温度补偿电路8，A/D转换器9，微处理器单元10，显示驱动电路11，数码管显示电路12，键盘输入电路13，超温报警电路14，看门狗电路15，光电耦合可控硅触发器16、17、18。
图3中各部分的连接关系与上述相同。
本实用新型的控制装置工作原理说明如下由测温热电偶1、2、3输出的毫伏级电压，经毫伏放大器4、5、6进行放大，送到一个串行控制的、有11个输入的10位模数转换器9变换为数字量，与此同时，通过热电阻7测定热电偶冷端温度，由热电偶冷端温度补偿电路8转换成电压信号。它也由A/D转换器9变换成数字量，微处理器单元10通过软件程序把热电偶冷端温度的数值叠加到由测温热电偶毫伏数变换成的数字量上，得出转化炉各段的实际温度。微处理器单元10通过键盘输入电路13设定各段给定温度，并把它与测量值相比较，进行比例积分运算和脉冲宽度调制，驱动过零触发可控硅触发器16、17、18，触发双向可控硅整流器19、20、21。驱动电路11驱动显示电路12，显示各段给定温度和实际温度，显示内容由键盘输入电路13进行切换。万一炉温失控，发生超温，微处理器单元10发出报警指令，由超温报警电路14报警。与此同时，由毫伏放大器4、5、6输出的电压通过报警电路同时实现超温报警，从而具有冗余报警功能。看门狗电路15，保证微处理器单元10在受到干扰等因素进入死循环的情况下，退出死循环，并使温度自动控制装置恢复正常工作。
根据本实用新型的上述电路框图及原理，再以一具体的实施例的电路来对本实用新型的控制装置进行说明。
请参见图4，三个毫伏放大器4、5、6的电路完全相同，它主要包括运算放大器U1(OP-07)。热电偶“+”端与端口A相连，经过R1，C1组成的低通滤波器连接到U1的引脚3，热电偶的“-”端与端口B电源地相连。运算放大器的引脚1、7、8连接电位器VR1作零点调整。R2、R3和VR2组成分压电路，VR2的动臂与运算放大器U1的引脚2相连，实现负反馈，毫伏放大器的放大倍数由VR2实现微调。输出引脚6的电压经R5、C4组成的低通滤波器从端口C输出。R6和R7组成分压电路产生200毫伏左右的直流电压，通过电阻R5连接到端口A。当热电偶发生断路时，该200毫伏电压全部加到毫伏放大器的输入端，使它的输出电压超过2.5V，报警电路动作，发出报警信号。C2、C3为电源滤波电容，分别连接到U1的引脚7和4。
请参见图5，所述的热电偶冷端温度补偿电路8实际上是一个电阻变换电路，主要含仪表放大器U2(AD620)，热电阻7为一铜热电阻RT，为WZG001型，分度号为CU-50，用来测定热电偶的冷端温度，连接到端口D和E。电阻R8和电阻RT、R9、R10和电位器VR3组成一个测温电桥。电桥一个对角线与+5V和电源地连接，另一对角线与仪表放大器U2引脚2、3相连。电位器VR3用来调节电桥平衡。R11和电位器VR4串联后连接到U2的引脚1和8，调整仪表放大器U2的放大倍数。U2的输出由引脚6经R12、C9组成的低通滤波电路从端口F输出。C7、C8为电源滤波电容，分别连接U2的引脚7和4。
请参见图6，所述的A/D转换器9主要含有一片多路十位串行控制A/D转换集成电路U3(TLC1543)。毫伏放大器4、5、6和热电偶冷端温度补偿电路8的输出端分别连接到它的输入端口G、H、I、J，经过R13、C10；R14、C11；R15、C12和R16、C13组成的低通滤波器分别连接到U3的引脚AIN0、AIN1、AIN2和AIN3，U3的其余引脚AIN4～AIN10不用，故全部接地。由基准电压集成电路U4(LM336/2.5V)或稳压二极管以及R17、R18、R19、VR5、C14等组成的可校准的基准电源给U3提供2.5V的参考电压。C15为电源滤波电容，连接到U3的引脚VCC。
请继续参见图6，微处理器单元10含有单片微处理器芯片U5(AT89C51)及其外围电路锁存器U6(74HC373)、或非门U7(74HC02)组成。U5的引脚P1.3、P1.4、P1.5分别与A/D转换器的芯片U3的引脚SCLK、ADDS和DOUT相连接，U5的引脚P3.5与A/D转换器芯片U3的引脚CS相连。微处理器单元的输出端口K、L、M接到光电耦合可控硅触发器16、17、18，提供脉冲宽度调制信号，端口K同时输出到看门狗电路15。石英晶体振荡器X1与U5的引脚X1、X2相连，X1、X2同时连接电容C16、C17。单片微处理器的内部电路和X1、C16、C17一起组成振荡电路，提供U5的时钟脉冲。U5的引脚P0.0～P0.7分别与U6的引脚D0～D7相连。或非门U7的一个输入引脚与U5的引脚P2.7相连，另一个输入引脚与U5的引脚P3.6相连，U7的输出引脚与U6的引脚LE相连，从而选通U6进行锁存。U5的引脚P3.1～P3.4接往键盘输入电路13，端口N接到报警电路14，端口P连接到看门狗电路接受来自看门狗电路的复位信号。C18、C19为电源滤波电容，分别连接到U5和U6的引脚VCC。
请继续参见图6，驱动电路11由BCD七段译码驱动器U8(74LS247)、3-8线译码器U9(74HC138)、硅PNP晶体管TR1～TR3以及电阻R20、R21、R22等组成。U8引脚A、B、C、D分别与微处理器单元10的U6的引脚Q4、Q5、Q6、Q7相连接受来自微处理器单元10的BCD码。U9的引脚A、B与10的U6的引脚Q0、Q1相连，U9的引脚C则接地，传递数码管选通信号。U9引脚Y1、Y2、Y3分别经电阻R20、R21、R22与晶体管TR1、TR2、TR3基极相连接。C20、C21为电源滤波电容，分别连接到U8、U9的引脚VCC。
请继续参见图6，数码管显示电路12为动态显示电路，它由共阳极数码管LED1、LED2、LED3，发光二极管D1、D2、D3和电阻R23、R24～R30等组成。LED1、LED2、LED3用来显示转化炉各段的实际温度值或设定值。LED1为百位，LED2为十位，LED3为个位，发光二极管D1、D2、D3则用来表示当前显示的数值是转化炉哪一段的温度。LED1、LED2、LED3的a段引脚连接在一起，然后经过限流电阻R24接到U8的引脚a。其余各段b～g接法类同。数码管LED1的引脚5和10、发光二极管D1的正极连接在一起，接到晶体管TR1集电极，其余的数码管类同。发光二极管D1、D2、D3的负极连在一起，通过电阻R23与单片微处理器U5的引脚P1.7相连。
请继续参见图6，键盘输入电路13由触膜式按键SW1～SW4和电阻R31～R34组成。每个按键一端接地，另一端分别与R31～R34连接，并分别连接到单片微处理器U5的引脚P3.1～P3.4，电阻R31～R34另一端连接在一起接到电源+5V。
请参见图7，超温报警电路14的硬件报警部分主要含有四比较器集成电路U11(LM339)及电阻R38～R43及C22。LM339的四个比较器只用了三个。输入端口U、V、W分别与毫伏放大器4、5、6的输出端口C相连，端口Z连接到单片微处理单元的端口N。电阻R41、R42和C22组成分压电路给U11提供参考电压。比较器U11的输出引脚2、1、14以及端口Z软件报警线连接在一起，和电阻R43组成线或逻辑。声响部分由定时集成电路U12(LM555)以及或门U13(74HC32)，电阻R44、R45、R46、PNP晶体管TR5、蜂鸣器BUZ组成。U12和R44、R45及C23组成定时电路产生周期0.7秒，占空比大约30％的负矩形脉冲，从引脚Q输出，连接到U13的另一输入端。U13的另一个输入端则和上述的线或逻辑线相连。当U、V、W任一个输入电压超过报警设定值，或端口Z为低电平时，都会使蜂鸣器发出报警声响信号。
请参见图8，看门狗电路15由看门狗电路集成电路813L，开路集电极反相器U16(74HC05)和R50组成，U16的输入引脚WDI与微处理器U5(见图6)的P1.0相连，输出引脚WD0经过U16A和U16B二次反相后连接到U15的手动复位端MR，U15的复位信号输出引脚RST连接到U5的RESET端。
请参见图9，光电耦合可控硅触发器16、17、18完全相同，由硅PNP晶体管和过零触发光电耦合可控硅触发电路U10(MOC3041)、电阻R35、R36、R37等组成。光电耦合可控硅触发器16、17、18的输入端口R分别与微处理器单元10(见图6)的端口K、L、M连接，然后通过电阻R35与晶体管TR4的基极相连，晶体管集电极经限流电阻R36连接到过零触发的光电耦合触发块的发光二极管侧。输出端口S、T分别与可控硅整流器的T2和控制极相连接。
请参见图10，稳压电源主要包括整流二极管D4～D7，电解电容C24～C29，和三端稳压器集成电路U17(LM7805)、U18(LM7905)，主变压器22次级绕组W4的引出线连接到整流二极管D4～D7，中心抽头接电源地。整流后的电压经U17、U1 8稳压后输出+5V和-5V的稳定电压。主变压器22的次级绕组W1、W2、W3用来给可控硅整流器供电。
比例积分脉冲宽度调制控制算法如下 PWP=1Perr]]> 式中n脉冲序列变量N脉冲序号SP 温度设定值PV 温度测定值
err温度偏差errLMT偏差限PW脉冲占空比(0～1)PWP比例控制分量PWI积分控制分量P 比例度(取值25℃)TI积分时间(取值150秒)TS取样时间(取值1.5秒)本三段转化炉温度自动控制装置用在WKL-2000型微库仑定硫仪上，预热段、燃烧段、出口段的控制温度分别设定在400℃、700℃和600℃左右，控制精度为±1℃，超调量小于5℃，温度达到稳定时间小于20分钟，报警温度为800℃。
权利要求1.一种微库仑仪三段转化炉温度自动控制装置，其特征在于该控制装置包括热电偶，毫伏放大器，A/D转换器，微处理器单元，显示驱动电路，显示电路，键盘输入电路，超温报警电路，可控硅触发器，可控硅整流器，供电电源，所述的热电偶包括三个分别设置于转化炉出口段、燃烧段、预热段的热电偶，热电偶的输出与毫伏放大器相接；所述的毫伏放大器包括三个分别与置于转化炉出口段、燃烧段、预热段的热电偶相对应的毫伏放大器，每一毫伏放大器的输入分别与相应的热电偶相接，各毫伏放大器的输出接A/D转换器和超温报警电路；所述的A/D转换器与微处理器单元之间通过串行控制总线相接，键盘输入电路也接到微处理器单元；所述的微处理器单元输出一方面通过显示驱动电路接到显示电路；另一方面通过可控硅触发器接到可控硅整流器，可控硅整流器的输出接到转化炉出口段、燃烧段、预热段的电热丝，此外微处理器单元的输出还接到超温报警电路；所述的供电电源包括主变压器、稳压电源，供电电源分别为上述各部分提供交直流工作电压。
2.如权利要求1所述的微库仑仪三段转化炉温度自动控制装置，其特征在于；所述的可控硅触发器和可控硅整流器均包括三个分别对应于转化炉出口段、燃烧段、预热段相对应的可控硅触发器、以及可控硅整流器，每一可控硅触发器的输入与微处理器单元相接，其输出分别接到相应的可控硅整流器。
3.如权利要求1或2所述的微库仑仪三段转化炉温度自动控制装置，其特征在于该装置还包括热电阻、热电偶冷端温度补偿电路，所述的热电阻与热电偶冷端温度补偿电路相接，补偿电路的输出也接到A/D转换器。
4.如权利要求1或2所述的微库仑仪三段转化炉温度自动控制装置，其特征在于该装置还包括看门狗电路，看门狗电路的输入、输出端分别与微处理器单元的P1.0和复位端相接。
5.如权利要求4所述的微库仑仪三段转化炉温度自动控制装置，其特征在于所述的看门狗电路包括看门狗电路集成块U15和二个反相器U16A、U16B，集成块U15的输入引脚WDI与微处理器单元的集成芯片U5的P1.0相连，输出引脚WD0经过U16A和U16B二次反相后连接到U15的手动复位端MR，集成块U15的复位信号输出引脚RST连接到集成芯片U5的RESET端。
6.如权利要求1所述的微库仑仪三段转化炉温度自动控制装置，其特征在于所述可控硅触发器为一光电耦合可控硅触发器，它包括晶体管TR4、光电耦合触发块U10、电阻R35、R36、R37，触发器的输入端口R分别与微处理器单元的端口K、L、M连接，电阻R35与晶体管TR4的基极相连，晶体管集电极经限流电阻R36连接到光电耦合触发块U10的发光二极管侧，输出端口S、T分别与可控硅整流器的T2和控制极相连接。
专利摘要本实用新型公开了一种微库仑仪三段转化炉温度自动控制装置，包括热电偶，毫伏放大器，A/D转换器，微处理器单元，显示驱动电路，显示电路，键盘输入电路，超温报警电路，可控硅触发器，可控硅整流器，供电电源，本实用新型的控制装置理论上没有静态误差，实际温度稳定值和设定温度值的偏差很小，温度控制精确，可达±1℃；该偏差不会随电网电压变动，因而转化炉各段温度不会随电网电压波动而改变；同时超温报警电路和看门狗电路的增加，使得控制装置工作非常可靠；转化炉的温度达到稳定时间短、超调量小、改变温度设定值方便也均是本实用新型控制装置的优点。
文档编号G01N27/42GK2586157SQ0228824
公开日2003年11月12日 申请日期2002年12月13日 优先权日2002年12月13日
发明者杨灿谦, 陈光瑜 申请人:上海化工研究院