专利名称：离子迁移谱仪用多路温控装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及离子迁移谱仪中的温度控制，具体涉及一种用于离子迁移谱仪的 多路温度控制装置。
背景技术：
在离子迁移谱仪中，迁移管是核心部件，工作在大气压力下，它的工作温度对离子 迁移率、反应物离子的种类和产量等都有着很大的影响。选择合适的迁移管工作温度，能有 效地增加反应物离子的产量，有利于改善离子迁移谱仪检测的分辨率，提高检测的灵敏度 和选择性。离子迁移谱仪中迁移管的工作温度对其工作性能有重要影响。因此，离子迁移谱 仪对温度控制有较高的要求。一般要求迁移管的工作温度可以设定在80°C至300°C之间， 恒温时精度为士 1°C，稳定性也要求在士1°C以内。另外，迁移管输出的是大约几十飞库 (femtocoulomb)级的微弱电荷信号，很容易受外界电磁信号的干扰。因此，温控电路在工作 过程中不能对迁移管输出信号产生干扰。离子迁移谱仪中不仅迁移管需要进行温度控制，还有进样器等部分也需进行温度 控制。因此，在离子迁移谱仪中要求同时实现多路温度控制，并且各路温控相互独立，互不影响。目前工业中常用的温控电路大都是通过对加热器件上的电压进行通断控制来实 现，如采用脉冲宽度调制PWM来实现控制。这种控制虽然电路和算法简单，但它采用方波脉 冲来作为控制和加热，脉冲信号的上升下降沿跳变很容易对迁移管输出信号产生干扰。另外，还有应用传统模拟PID控制和数字PID算法来实现温控的。传统模拟PID温 度控制电路大都最终也是以驱动类似继电器等的通断方式来实现温度控制。数字PID算法 相对来说比较复杂。在以单片机为核心进行系统控制和数据采集的离子迁移谱仪系统中， 温控过程中的PID计算会占用过多的单片机资源，导致实时采集谱仪数据时单片机资源紧 张。
实用新型内容本实用新型的目的是为了克服上述现有技术应用于以单片机为控制和数据采集 核心的离子迁移谱仪时存在的缺陷，提供一种离子迁移谱仪用的多路温控装置。在本实用新型的一个方面，提出了一种离子迁移谱仪用多路温控装置，包括数字 电路部分和模拟电路部分，其中数字电路部分包括单片机；与所述单片机连接并具有多 路独立输出的数模转换器DAC ；与所述单片机连接并具有单路模拟输入的模数转换器ADC ； 模拟电路部分包括多路独立的控制电路部分以及多选一开关，每个控制电路部分包括由 设置在离子迁移谱仪上的温度传感器和所述DAC的所述多路独立输出中的相应一个输出 等组成的惠斯顿电桥；与所述惠斯顿电桥输出之一相连接的比例积分微分PID控制电路； 与所述惠斯顿电桥另一路输出相连接的多选一开关；与所述多选一开关输出相连接的所述ADC ；所述PID控制电路的输出连接到驱动设置在离子迁移谱仪上的加热单元的驱动器。根据本实用新型的实施例，所述温度传感器构成惠斯顿电桥的一个桥臂电阻，通 过惠斯顿电桥产生的偏差信号经过放大后输出到所述PID控制电路。根据本实用新型的实施例，所述加热单元是加热膜，通过驱动器控制流过加热单 元的电流来进行温度调节。根据本实用新型的实施例，所述驱动器是MOS管，所述PID控制电路输出电压控制 量输入到所述MOS管的栅极，利用MOS管漏极电流随栅极和源极间反向电压变化而变化的 特性，改变通过加热膜的电流来实现温度控制。根据本实用新型的实施例，所述离子迁移谱仪上需要进行温度控制的位置的恒温 点是通过与所述单片机相连的计算机来设置的。根据本实用新型的实施例，所述单片机自带通用串行总线USB接口，并且通过该 USB接口与所述计算机连接。根据本实用新型的实施例，所述PID控制电路包括比例控制单元，包括第一运 算放大器、第一电阻器、第二电阻器和第三电阻器，其中所述第一运算放大器具有正相输入 端、反相输入端和输出端，第一电阻器的一端接收温度控制信号，另一端连接第二电阻器的 一端，第二电阻器的另一端连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的正相输入端 接第一偏置电压，反相输入端连接第一电阻器和第二电阻器之间的节点，第三电阻器的一 端连接第一运算放大器的输出端，另一端输出经过比例调节的温度控制信号；积分控制单 元，包括第二运算放大器、第四电阻器、第五电阻器、第六电阻器、第七电阻器和第一电容 器，所述第四电阻器的一端接收所述温度控制信号，另一端连接到第五电阻器和第六电阻 器二者的一端，第五电阻器的另一端连接到第二运算放大的正相输入端，并且该正相输入 端接第二偏置电压，第六电阻器的另一端接第二运算放大器的反相输入端和第一电容器的 一端，第一电容器的另一端接第二运算放大器的输出端和第七电阻器的一端，第七电阻器 的另一端输出经过积分调节的温度控制信号；微分控制单元，包括第三运算放大器、第八电 阻器、第九电阻器、第十电阻器、第十一电阻器和第十二电阻器以及第二电容器，第八电阻 器的一端接收所述温度控制信号，另一端连接第九电阻器的一端和第二电容器的一端，第 九电阻器的另一端接第三运算放大器的正相输入端，并且该正相输入端接第三偏置电压， 第二电容器的另一端接第十电阻器的一端，第十电阻器的另一端接第三运算放大器的反相 输入端和第十一电阻器的一端，第十一电阻器的另一端接第三运算放大器的输出端和第 十二电阻器的一端，第十二电阻器的另一端输出经过微分调节的温度控制信号；线性求和 电路，包括第四运算放大器、第十三电阻器和第三电容器，第四运算放大器的反相输入端接 收来自经过所述比例控制单元、所述积分控制单元和所述微分控制单元调节后的所述温度 控制信号，第四运算放大器的正相输入端接第四偏置电压，所述第十三电阻器和所述第三 电容器并联在所述第四运算放大器的反相输入端和输出端之间，并且从所述第四运算放大 器的输出端将求和后的温度控制信号输出到驱动器的控制端。根据本实用新型的实施例，所述PID控制电路还包括信号调理单元，对表示温度 传感器检测的温度和设定的恒温点之间的偏差的信号进行放大，并与偏置电压进行和差调 理，输出到比例控制单元、积分控制单元和微分控制单元。根据本实用新型的实施例，所述信号调理单元包括第五运算放大器、第十四电阻器、第十五电阻器、第十六电阻器和第四电容器，所述第十四电阻器一端接收温度差信号， 另一端接第五运算放大器的正相输入端，并且该正相输入端通过第四电容器接地，所述第 十五电阻器一端接收第五偏置电压，另一端接第五运算放大器的反相输入端，第十六电阻 器并联在所述第五运算放大器的反相输入端和输出端之间。根据本实用新型的实施例，多路温控电路可同时工作，又相互独立。此外，各温控电路的恒温点可以灵活设置和调整、可调范围宽、各路可以恒温在不 同温度点。此外，根据本实用新型的实施例，经过PID控制电路后，产生的控制量是一个缓慢 变化的电压信号。采用MOS管作为控制输出单元，最终控制的是通过加热膜的电流大小，而 不是加热膜上电压的通断，从而大大减小了对离子迁移谱仪信号的干扰。此外，根据本实用新型的实施例，在温控过程中，除了恒温点的设置外，不需要单 片机的干预，节约了单片机有限的资源。此外，根据本实用新型的实施例，使用带USB接口的单片机，与计算机通讯时，具 有连接简单、使用方便的优点。
从
以下结合附图的详细描述中，本实用新型的上述特征和优点将更明显，其中图1为根据本实用新型实施例的温控系统的示意性框图；图2为根据本实用新型实施例的PID控制电路的示意性电路图。
具体实施方式
下面，参考附图详细说明本实用新型的优选实施方式。在附图中，虽然示于不同的 附图中，但相同的附图标记用于表示相同的或相似的组件。为了清楚和简明，包含在这里的 已知的功能和结构的详细描述将被省略，否则它们将使本实用新型的主题不清楚。以下实施例用于说明本实用新型，而非用来限制本实用新型的范围。图1为根据 本实用新型实施例的温控系统的示意性框图。根据本实用新型实施例的离子迁移谱仪用多路温控电路100包括数字电路部分 和模拟电路部分。根据本实用新型的实施例，数字电路部分主要包括带USB接口 111的单片机110、 有多路独立输出的DAC 120、具有单路模拟输入的ADC 190。根据本实用新型的实施例，模拟电路部分包括多路独立的温度控制电路130、140、 150和160以及多选1模拟开关电路180。以温度控制电路130为例，其包括对应的由温度传感器PT1000等组成的惠斯顿电 桥131、模拟PID控制电路132、MOS管133和加热膜134。根据本实用新型实施例的温度控制装置采用负反馈闭环控制。加热膜134作为迁 移管等部件的加热单元。温度传感器PTlOOO采样迁移管等部件的温度，同时作为惠斯顿电 桥131的一个桥臂电阻，通过惠斯顿电桥131产生的偏差信号作为PID控制电路132的输 入，经过PID控制电路调节后，输出一个电压控制量输入到MOS管133的栅极，利用MOS管 133漏极电流随栅极和源极间反向电压变化而变化的特性，来改变通过加热膜134的电流实现温度控制，从而构成实时闭环控制系统。根据本实用新型的实施例，在加热和恒温过程中，除了设置恒温点外，不再需要单 片机的干预，完全由硬件电路自动完成。根据本实用新型的实施例，在温控装置中设置一个多选1的模拟开关180和具有 单路模拟输入的ADC 190，用来监测迁移管等需要加热部件的温度状态。如图1所示，本实用新型一个实施例中采用了 4路温度控制电路130、140、150和 160。参看图1，虚线框内为实现本实用新型实施例的装置100，它包括数字电路部分和 模拟电路部分。数字电路部分包括带USB接口 111的单片机110、有4路独立输出的DAC 120、具有单路模拟输入的ADC 190。模拟电路部分包括4路并行独立的温度控制电路130、 140,150和160、4选1模拟开关电路180以及为加热膜供电的大功率电源170。每路温度 控制电路如130包括惠斯顿电桥131以及对应的模拟PID控制电路132、M0S管电路133和 加热膜Π4。离子迁移谱仪的温控电路工作时，首先根据实际情况，利用计算机200通过USB接 口 210向单片机110发送离子迁移谱仪各部件所需的恒温点数据，让单片机110设置好DAC 120的4路输出模拟电压信号，此电压值等于期望温度下PT1000在分压电路中的压降值， 此电压值与PT1000分压电路等效构成惠斯顿电桥131的四个臂，此电压值与温度传感器 PT1000实际的压降值进行比较产生一个误差信号并通过仪表运算放大器放大，经过PID控 制电路132后，产生一个电压控制量输入到MOS管133的栅极，这样MOS管133的漏极电流 随之发生变化，从而也改变通过加热膜134的电流，实现温度的实时闭环控制。如果需要监测离子迁移谱仪各部分当前的温度状况，可以通过4选1模拟开关180 选择需要监测支路的惠斯顿电桥产生的误差信号输入到ADC190，利用单片机110采集ADC 190的转换输出结果，经过简单的换算即可得到所监测点的温度值。图2为根据本实用新型实施例的温控装置的示意性电路图。如图2所示，惠斯顿电桥单元131包括仪表运算放大器Ul 一 INA333、运算放大器 U2、电阻器Rl、电阻器R2、电阻器R3、电容器Cl、电容器C2、温度传感器PT1000。利用增益可 调的仪表运算放大器U1，设置合适的增益，对DAC 120的输出电压值与温度传感器PT1000 的压降值比较产生的误差信号进行放大，并通过运算放大器U2跟随，然后分两路输出，其 中一路输出连接到比例积分微分PID控制电路132，另一路输出连接到4选1电路180。电阻器Rl —端接1. 8V稳压电源，另一端连接到仪表运算放大器Ul的反相输入端 和温度传感器PT1000的一端，温度传感器PT1000的另一端接地。DAC 120的一路输出连 接到仪表运算放大器Ul的正相输入端。由电阻器Rl和温度传感器PT1000组成了惠斯顿 电桥的两个桥臂，另两个桥臂由DAC 120的输出等效之。设置仪表运算放大器Ul增益的增 益电阻器R2两端分别连接到仪表运算放大器Ul的第1和第8管脚。仪表运算放大器Ul 的参考电压端与偏置电压Vbias相连。电阻器R3的一端连接到仪表运算放大器Ul的输出 端，另一端连接到运算放大器U2的正向输入端，而运算放大器U2的反相输入端与其输出端 相连，形成信号跟随电路。解耦电容器Cl 一端与仪表运算放大器Ul的工作电源相连，另一 端接地。滤波电容器C2 —端与偏置电压Vbias相连，另一端接地。如图2所示，误差信号调理单元1321包括运算放大器U3、电阻器R4、电阻器R5、电
7阻器R6、电容器C3，用于对经惠斯顿电桥单元131放大后的差值信号进行和差调理，输出调 理后的信号。电阻器R4 —端接收来自惠斯顿电桥单元131的信号，并且它的另一端连接到运算 放大器U3的正相输入端，该正相输入端通过电容器C3接地。此外，电阻器R5的一端接收 偏置电压Vbias，另一端连接运算放大器U3的反相输入端和另一电阻器R6的一端，而电阻 器R6并联在运算放大器U3的反相输入端和输出端之间。误差信号调理单元1321输出的 信号连接到比例控制单元1322、积分控制单元1323和微分控制单元13M。比例(P)控制单元1322包括运算放大器U4、电阻器R7、电阻器R8、电阻器R9，该 比例控制单元的输出与输入信号成比例关系。电阻器R7的一端接收来自误差信号调理单元1321的信号，另一端连接运算放大 器U4的反相输入端和电阻器R8的一端，电阻器R8并联连接在运算放大器U4的反相输入 端和输出端之间，电阻器R9的一端连接运算放大器U4的输出端，另一端作为比例控制单元 1322的输出端，输出经过比例调节的温度控制信号。此外，在运算放大器U4的正相输入端 接一偏置电压Vbias。积分(I)控制单元1323包括运算放大器TO、电阻器R10、电阻器Rll、电阻器R12、 电阻器R13、电容器C4，该积分控制单元的输出与输入信号的积分成比例关系。电阻器RlO的一端接收来自误差信号调理单元1321的信号，另一端与电阻器Rll 和R12的一端连接，电阻器Rll的另一端连接运算放大器U5的正相输入端，该正相输入端 同样接一偏置电压Vbias。电阻器R12的另一端连接运算放大器的反相输入端和电容器C4 一端，电容C4的另一端连接运算放大器TO的输出端，电阻器R13的一端连接运算放大器TO 的输出端，另一端输出经过积分调节的温度控制信号。微分(D)控制单元13 包括运算放大器U6、电阻器R14、电阻器R15、电阻器R16、 电阻器R17、电阻器R18、电容器C5，微分控制单元的输出与输入信号的微分成比例关系。电阻器R14的一端接收来自误差信号调理单元1321的信号，另一端连接电阻器 R15和电容器C5的一端。电阻器R15的另一端接运算放大器TO的正相输入端，并且该正相 输入端接一偏置电压Vbias。电容器C5的另一端连接电阻器R16的一端，电阻器R16的另 一端连接运算放大器U6的反相输入端，电阻器R17并联连接在运算放大器U6的反相输入 端和输出端之间，电阻器R18的一端连接运算放大器U6的输出端，另一端输出经过微分调 节后的温度控制信号。从比例控制单元1322、积分控制单元1323和微分控制单元13 输出的温度控制 信号在线性求和单元1325进行求和，然后输出到MOS管Ql对加热膜进行控制。线性求和单元1325包括运算放大器U7、电阻器R19、电容器C6，它对PID各控制单 元的输出信号进行求和运算，输出PID控制单元的最终控制信号电压。电阻器R19和电容器C6 二者并联连接在运算放大器U7的反相输入端和输出端之 间，运算放大器U7的正相输入端接一偏置电压Vbias。在PID各控制单元中，运算放大器U4、U5、TO、U7的正向输入端在传统PID控制电 路中一般接地，但是在本实用新型实施例中接的是一个正偏置电压，这样在选择运算放大 器时，选用单电源供电的运算放大器即可满足要求，这样降低了对电源的要求，同时简化了 电路的布线，取得了良好的效果。[0053]另外，在线性求和单元1325中，利用电容器C6构成电压并联负反馈电路，对运算 放大器进行相位补偿，用来防止运算放大器产生自激。上面的描述仅用于实现本实用新型的实施方式，本领域的技术人员应该理解，在 不脱离本实用新型的范围的任何修改或局部替换，均应该属于本实用新型的权利要求限定 的范围，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求1.一种离子迁移谱仪用多路温控装置，其特征在于，包括数字电路部分和模拟电路部 分，其中数字电路部分包括单片机；与所述单片机连接并具有多路独立输出的数模转换器DAC ；与所述单片机连接并具有单路模拟输入的模数转换器ADC ；模拟电路部分包括多路独立的控制电路部分以及多选一开关，其中每个控制电路部分 包括设置在离子迁移谱仪上的温度传感器；由所述温度传感器和所述DAC的所述多路独立输出中的相应一路输出组成的惠斯顿 电桥，从所述惠斯顿电桥中信号分两路输出，其中一路输出连接到比例积分微分PID控制 电路，另一路输出经过所述多选一开关连接到所述ADC ；所述PID控制电路的输出连接到驱动设置在离子迁移谱仪上的加热单元的驱动器。
2.如权利要求1所述的离子迁移谱仪用多路温控装置，其特征在于，所述温度传感器 构成惠斯顿电桥的一个桥臂电阻，通过惠斯顿电桥产生的偏差信号经过放大后输出到所述 PID控制电路。
3.如权利要求1所述的离子迁移谱仪用多路温控装置，其特征在于，所述加热单元是 加热膜，通过驱动器控制流过加热单元的电流来进行温度调节。
4.如权利要求3所述的离子迁移谱仪用多路温控装置，其特征在于，所述驱动器是MOS 管，所述PID控制电路输出电压控制量输入到所述MOS管的栅极，利用MOS管漏极电流随栅 极和源极间反向电压变化而变化的特性，改变通过加热膜的电流来实现温度控制。
5.如权利要求1所述的离子迁移谱仪用多路温控装置，其特征在于，所述离子迁移谱 仪上需要进行温度控制的位置的恒温点是通过与所述单片机相连的计算机来设置的。
6.如权利要求5所述的离子迁移谱仪用多路温控装置，其特征在于，所述单片机自带 通用串行总线USB接口，并且通过该USB接口与所述计算机连接。
7.如权利要求1所述的离子迁移谱仪用多路温控装置，其特征在于，所述PID控制电路 包括比例控制单元，包括第一运算放大器、第一电阻器、第二电阻器和第三电阻器，其中所 述第一运算放大器具有正相输入端、反相输入端和输出端，第一电阻器的一端接收温度控 制信号，另一端连接第二电阻器的一端，第二电阻器的另一端连接第一运算放大器的输出 端，第一运算放大器的正相输入端接第一偏置电压，反相输入端连接第一电阻器和第二电 阻器之间的节点，第三电阻器的一端连接第一运算放大器的输出端，另一端输出经过比例 调节的温度控制信号；积分控制单元，包括第二运算放大器、第四电阻器、第五电阻器、第六电阻器、第七电 阻器和第一电容器，所述第四电阻器的一端接收所述温度控制信号，另一端连接到第五电 阻器和第六电阻器二者的一端，第五电阻器的另一端连接到第二运算放大的正相输入端， 并且该正相输入端接第二偏置电压，第六电阻器的另一端接第二运算放大器的反相输入端 和第一电容器的一端，第一电容器的另一端接第二运算放大器的输出端和第七电阻器的一 端，第七电阻器的另一端输出经过积分调节的温度控制信号；微分控制单元，包括第三运算放大器、第八电阻器、第九电阻器、第十电阻器、第十一电阻器和第十二电阻器以及第二电容器，第八电阻器的一端接收所述温度控制信号，另一端 连接第九电阻器的一端和第二电容器的一端，第九电阻器的另一端接第三运算放大器的正 相输入端，并且该正相输入端接第三偏置电压，第二电容器的另一端接第十电阻器的一端， 第十电阻器的另一端接第三运算放大器的反相输入端和第十一电阻器的一端，第十一电阻 器的另一端接第三运算放大器的输出端和第十二电阻器的一端，第十二电阻器的另一端输 出经过微分调节的温度控制信号；线性求和电路，包括第四运算放大器、第十三电阻器和第三电容器，第四运算放大器的 反相输入端接收来自经过所述比例控制单元、所述积分控制单元和所述微分控制单元调节 后的所述温度控制信号，第四运算放大器的正相输入端接第四偏置电压，所述第十三电阻 器和所述第三电容器并联在所述第四运算放大器的反相输入端和输出端之间，并且从所述 第四运算放大器的输出端将求和后的温度控制信号输出到驱动器的控制端。
8.如权利要求7所述的离子迁移谱仪用多路温控装置，其特征在于，所述PID控制电路 还包括信号调理单元，对表示温度传感器检测的温度和设定的恒温点之间的偏差的信号进行 放大，并与偏置电压进行和差调理，输出到比例控制单元、积分控制单元和微分控制单元。
9.如权利要求8所述的离子迁移谱仪用多路温控装置，其特征在于，所述信号调理单 元包括第五运算放大器、第十四电阻器、第十五电阻器、第十六电阻器和第四电容器，所述 第十四电阻器一端接收温度差信号，另一端接第五运算放大器的正相输入端，并且该正相 输入端通过第四电容器接地，所述第十五电阻器一端接收第五偏置电压，另一端接第五运 算放大器的反相输入端，第十六电阻器并联在所述第五运算放大器的反相输入端和输出端 之间。
专利摘要公开了一种离子迁移谱仪用多路温控装置，它包括数字电路部分和模拟电路部分。数字电路部分主要包括带USB接口的单片机、有多路独立输出的DAC、具有单路模拟输入的ADC。模拟电路部分包括多路独立的温度控制电路以及多选1模拟开关电路。每个温度控制电路包括对应的PT1000温度传感器、模拟PID控制电路、MOS管和加热膜。根据本实用新型的实施例，多路温控电路可同时工作，又相互独立。
文档编号G05D23/20GK201926940SQ20102070051
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者刘以农, 张清军, 李元景, 赵自然, 邹湘, 陈志强 申请人:同方威视技术股份有限公司, 清华大学