热重分析仪中去皮调零方法的改进

2009年仪卓故术与传赢2009第5期热重分析仪中去皮调零方法的改进邹豪杰,陈卫兵,周序生,谭传武,李长云(湖南工业大学计算机与通信学院湖南株洲412008)摘要:热重分析仪的称重部分需要去皮调零操作。结合称重部分已有的信号放大电路、模数转换电路和微处理器基于数檨转换器设计了一种去皮、调零电路,采用文中提出的估值一逐位逼近算法调整称重电路的零点,实现大范围快速去皮调零。实际测量结果显示:对超过所选量程的皮重能精确去皮,去皮调零时间比折半法减少了一半。关键词:热重分析仪;去皮;调零;估值一逐位遁近算法中图分类号:TF272文献标识码:A文章编号: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引言数模转换芯片本身存在一定的非线性,调整结果往往不准确。热重分析仪是在温度程序控制〔等速升温、降温、恒温和循该文基于数模转换器设计了去皮调零电路提出估值一逐位逼环)下测量物质的质量随温度变化的仪器。广泛应用于有机、近算法对数字化去皮方法进行改进。先通过2次测量,计算去石化、建材、化纤、冶金、陶瓷、制药等领域,主要用来观察样品皮调零值取其高位作为粗略值然后采用逐位通近方法设置脱水、蒸发、升华、分解、燃烧等在某一特定温度下的质量变化,低位精确逼近零点。该方法一方面保证了去皮调零精度,同特别是在高聚合物的研究中常用来确定各组分的含量。时大大减少操作时间热重分析仪主要由微量天平、加热炉、气氛单元、温度控制1热重分析仪称重硬件电路单元、气氛控制单元、计算机等组成。热重(TG)分析时,为避热重分析仪电子天平结构如图1所示,由称重传感器、信免试样内部存在温度梯度引起二次效应,所取试样量一般很号放大滤波电路、模数转换器、微处理器通信模块、去皮电路少。而TG分析过程中试样失重小,要求热重分析仪分辨率高,和调零电路等组成。称重传感器输出的电压信号送到信号放故热重分析仪量程非常小,最小量程仅1mg对腐蚀性样品进大滤波电路进行放大、滤波、电平搬迁等处理,得到适合于模行分析时为了保护天平托盘需要用坩埚盛放样品。而坩埚数转换电路的信号。微处理器为称量部分控制中心,主要用来的质量往往超过所选量程的好几倍因此热重分析仪需要执行设置电路增益进行量程切换、设置滤波参数读取转换后的数去皮操作。字量及与上位机通信等。按键模块用来设置参数和接受外部传统的去皮操作,常采用人工调整电位器的方法实现,存命令。利用数模转换器设计的去皮、调零电路在微处理器控制在需要人工干预、调整时间长、调整精确度不高等缺点。纯粹下按照该文提出的估值-逐位逼近算法控制去皮调零电路的软件方法不能实现皮重超过所选量程的情况。文献[1]提出输出适当的去皮调零电压精确调整称重电路零点。采用数字电位器实现调零的方法只适用于平衡电桥;文献[2]利用数字电位器组成三级去皮电路,采用快速折半算法寻找去称重传感器皮零点但整个去皮过程需12,并且调整特确度在整个范围内并不一致,皮重越大调整精度越低。文献[3]采用数模转换中国煤化工电路实现调零,通过简单的计算得出调零值没有反馈机制但CNMHG按基金项目国家自然科学基金项目(60m31);湖南省教育厅基金项目2去皮调零电路设计图1热重分析仪称重部分结构框图收稿日期:2008-11-20收修改稿日期:2008-12-10当热重分析仪使用环境改变,电路参数发生徵小变化时Instrument Technique and SensorMay.2009将引起称取电路零点漂移,为使其恢复零点而采取的调整措出的偏差要保证在调零所能调整的范围内,调零操作使称重电施称为调零。去皮操作是让天平在有负载的情况下恢复到零路输出更接近零。该热重分析仪中信号放大电路的放大器为点调幣的范围比较大皮重甚至可以超过所选量程的好几倍。仪表放大器AD624,模数转换器为24位分辨率的AD4微处这两种操作的作用类似,有一定的相关性。在称量过程中按理器为 ATMEGA16。所设计的去皮电路调零电路如图2所下去皮按键后,先执行去皮操作,再执行调零操作。去皮后输。称重传楚K Syme Vd ReB-OAGnd±12VVTbBAGndGnd IOVdd VreBAGnd图2去皮调零电路原理图称重传感器为电磁力平衡传感器,可调整输出电压在0~算出的去皮调零DAC数字值低n位置为零从高到低逐位试探7.5Ⅴ范围内。称重传感器输出信号经简单RC滤波后传送性地设置低n位使输出电压逼近零点保证去皮调零精确度。到仪表放大器AD6324的ⅣN-端,去皮、调零电路输出的调节电2次测量估箅去皮调零粗略偵工作原理如下压传输到AD624的IN+输入端,AD624对ⅣN+、IN-两输入端去皮电路OP07为反相放大器,则去皮电路输出的电压的差分电压进行放大。当天平托盘中有坩锅时,传感器输出负为电压,通过调整去皮调零电路,可以使N+端输入一个与IN(1)端相等的电压(坩锅质量在去皮范围之内),两端差分电压为212x,0v零实现去皮调零功能。去皮电路、调零电路由数模转换器式中:Code为去皮电路DAC数字值;Remv为DAC参考电DAC7552和运算放大器0H07组成。DAC7552包含2路数模转压。换器,A通道与U2组成去皮电路,B通道与U3组成调岑电路。调零电路OP07设计成双极性输出电路则DAC7552的参考电压由T431提供,参考电压设定为4.096VDe_+ADore去皮电路中OP07设计成反相放大电路,将DAC752输出的0Code4.095V电压转换为0~-4.095V电压,经1000电阻连接(3)到AD624的IN+输入端;调零电路的OP7设计成双极性输出电路输出-4095~+4.095V电压,经30k电阻连接到Vm=Rel,2XRe,ooAD624的N+输入端,AD624的IN+输入端通过82k∩电阻式中:VAD为数模转换器B通道输出的电压;Code-为调零接地。经过电阻网络分压,去皮电路引起AD624N+电压从0DAC数字值;V-为调零电压变化到约-4V调零电路引起IN+电压变化约±2mV.实际去皮电压、调零电压经过电阻R4、R3及R分压后连接到上,DAC5存在微小的零偏通过调节电位器Rwx、Rwr可以AD624N+端其电压为调整OP07输出的零点。在不需要去皮时,去皮电路输出0VRaRe对其他电路不产生影响。RuRa+,Ru+Rura3估值一逐位逼近算法原理和实现D R2+r Ra+Ru. Vme3.1估值一逐位逼近算法波电路总的增益基本去皮调零电路在微处理器的控制下利用数模转换器实现不变中国煤化工去皮调零操作,具体的调整方法为估值-逐位逼近法,分2个CNMHGG步骤来实现。第一步,系统自动测量2次计算出使输出为零其他参数不变化仅去皮电路调整引起v的变化为所需设置的去皮、调零DAC数字值。但由于数模转换器存在xGx△V的非线性、不稳定性因此该值作为粗略值。第二步,将计RuRe+RuRu+r re豪杰等:热重分析仪中去皮调零方法的改进RuraxGx Ref&(7)法偏差较大快速折半法与估值一逐位通近法调零结果相近。R, Ra+R,R2+ruro但分析两者的原理可知,n=4时,估值一逐位通近法所需测量每次称量的时间很短使用环境基本不变可以认为R3、的次数仅仅是快速折半法的一半Rx、Ra、G、Ref4mw为常数,则式(7)可以写成↓切换量君到mg设置( deane-0进行去皮操作时称重系统量程切换为最大量程,先设置测量输出电压得到去皮DAC数字值 Codere=0,调零DAC数字值Code-=「x800H,即均输出0V测量得到输出电压V=o;再设置去皮电路DAC数字值为一定值Code-,测量得到此时输出电压V,则lear低位置0令:n(9)假设设置去皮电路数字值为Code时,电路输出电压为0,则0-V.o=k, x( Code u-Codeuro)联合式(9)、式(10),且 Code=0,可以得到去皮电路去皮粗略值的计算公式o:y=×xCoe-由式(11)可算出去皮电路需设置的数字值Code对于调零电路调零操作前,将称重系统量程切换为称量图3估值一逐位逼近算法流程图试样时所需选取的量程。第一次测量时, Code.为800H,设称表1估值-逐位逼近算法中n取值对结果的影响量电路输出电压为V。;第二次测量时,设置DAC数字值为定皮重/mgn=0n=1n=2n=3n=4值Coe,设称量电路输出电压为vm.同样可以得到计算调零电路调零粗值的计算公式oo0Code =-800H)+800H(12)表2不同算法去皮调零结果的比较mV为了更精确地调整称重电路零点,去皮、调零DAC数字值称重电路输出电压的低位采用逐位逼近的方法设置。将计算出的 Code、Code算法低n位置零,该n位由高到低依次逐位设置,每一位先试探0 mg 50 mg 100 mg 200 mg 50直接计算法0.0070.011失败失败0.00性地置1,根据称量电路输出电压决定该位最终置I还是快速折半法0.0010.0020.0010.0030.002估值-逐位通近法0.0010.0020.0000.0030.0023.2算法实现结束语该文所设计热重分析仪的去皮电路调零电路均采用估值釆用数模转换器设计了数字化去皮、调零电路,实现了在逐位通近算法进行调整。去皮电路数模转换器数字值越大,微处理器控制下的自动去皮、调零。该方法具有调整时间短AD624|N+端电压越低称重电路输出的电压越低。估值-逐误差小的特点,克服了纯软件去皮不能处理皮重大于所选量程位逼近算法在去皮操作中的实现过程如图3(a)所示。而调零的弊端。与直接计算法相比,去皮调零过程中所采用的估值电路数模转换器数字值越大,AD64ⅣN+端电压越高,称重电路输出的电压也越高。在调零操作中,值-逐位通近算法的逐位逼近法具有史高的精确度;与快速折半法相比,在保证相同去皮调零精确度条件下调整时间减少了一半。该去皮、调实现过程如图3(b)所示。零方法也可以应用在其他电子衡器中,具有广阔的应用前3.3测量结果利用该文设计的去皮电路、调零电路结合热天平进行2景。参考文献:项实验。实验一:对3种不同皮重在取不同n值的情况下,各进行1]杨光友周国柱陈定方数字电位器在平衡电桥测量中的应用仪表技术与传感器,2004(5):30-3110次实验。表1记录估值一逐位通近法能够调整到理论精确(2中国煤化工议中一种新的数字去皮方度的次数(理论上,调零误差仅4μⅤ)。实验结果表明:当n取值≥3时该方法每次都能精确调整零点。CNMH[3]化仪器仪表2001(1):55实验二:通过对6种皮重进行去皮调零实验比较直接计算法、快速折半法及估值一逐位逼近算法调整精确度。选择量作者简介:邹豪杰(1976-)讲师硕士研究生主要研究方向为嵌人式程为100mg,去皮调零后称重电路输出电压见表2。直接计算系统、仪器仪表。E-mail: zouhaojied@gmai