基于AD590的數(shù)字式溫度測控裝置設(shè)計介紹|壹芯微

本文介紹了一種適用于實驗室條件下實驗、研究和二次開發(fā)的數(shù)字式溫度測控裝置。該器件采用新型集成溫度傳感器AD590作為溫度測量元件，并提供兩個控制單元進行實驗比較。通過測量和控制恒溫器中的溫度，獲得了令人滿意的結(jié)果。

1.引言

對于導(dǎo)彈武器和設(shè)備等大型系統(tǒng)，其性能往往受到外部環(huán)境和自身運行條件的影響。其中，溫度的影響往往起著非常重要的作用。因此，溫度檢測和控制一直是許多研究者關(guān)注的焦點。然而，一些溫度測控裝置精度低，溫度控制不準確，一些新儀器成本高，難以推廣。特別要指出的是，過去開發(fā)的溫度測控系統(tǒng)通常是一個獨立的系統(tǒng)，一物一用，很難被其他系統(tǒng)采用，存在維護困難、維修不便等問題。為此，作者根據(jù)目前流行的模塊化設(shè)計原理，開發(fā)了一種適用于實驗室條件下研發(fā)的高精度溫度測控裝置。

2.工作原理

圖l為WCZ-98型溫度測控裝置的電氣原理圖。其工作原理為：以AD590為一橋臂的測溫電橋采取到的溫度信號，經(jīng)差動放大并進行緩沖隔離后一路送至數(shù)顯表進行數(shù)字化溫度顯示，另一路與設(shè)定值相比較。比較出來的差值由開關(guān)K控制可選擇送人兩路調(diào)節(jié)控制器。其中一路由比較放大器和繼電器組成，以此為調(diào)節(jié)控制器可使該裝置形成一個無需與計算機相連的獨立的測控溫設(shè)備;另一路由PID調(diào)節(jié)器(由A/D、D/A與裝有PID調(diào)節(jié)軟件的計算機構(gòu)成)和可控硅組成。從調(diào)節(jié)控制器出來的信號通過控溫執(zhí)行元件實現(xiàn)溫度控制。下面就其中幾個部分的原理進行分析。

圖1 溫度測控裝置電氣原理

3.集成溫度傳感器AD590

圖2 AD590

AD590是美國AD公司生產(chǎn)的專用集成溫度傳感器，屬于電流輸出型。圖2所示為AD590在三個不同溫度下的電流一電壓特性曲線。在一定溫度范圍內(nèi)，它相當于一個高阻電流源，其電流溫度靈敏度為lμA/K。它不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲等的干擾。此外，它還具有體積小、測溫精度高、線性好和互換性強等特點，非常適用于遠距離測控，同時也適用于本文所要求的模塊化、分體式結(jié)構(gòu)的特點。其主要技術(shù)指標為：

a.測溫范圍：一55.150℃;

b.電流輸出(標定系數(shù))：lμA/K;

c.電源電壓：直流4—30V;

d.線性度：在滿量程范圍內(nèi)小于±0.5℃;

e.重復(fù)性：±0.1℃;

f.輸出阻抗：約為10MQ;

g.長期漂移：±0.1℃/月

圖3 AD590的I—V曲線

流經(jīng)AD590的電流Ir是其所在環(huán)境的絕對溫度的單值函數(shù)，且Ir的微安數(shù)就等于絕對溫度值T，即：

Ir=T×10-6A=TμA(1)

4.測溫電橋

圖4為測溫電橋原理圖。流過AD590的電流IiR2和Rw2上形成的電壓為：

Ul=Ii×(R2+Rw2)(2)

圖4 測溫電橋原理圖

通過調(diào)節(jié)Rw2使(R2+Rw2)等于10K，將(1)式代入(2)式可得：

U1=Ii×(R2+Rw2)=T×10-2V(3)

通過調(diào)節(jié)Rwl使得U2=2.732V。那么電橋的輸出就為：

UAB=U1﹣U2=T×10-2﹣2.732=(T﹣273.2)×10-2V(4)

因為T為AD590所測的環(huán)境絕對溫度，將其減去273.2后，則可得到攝氏溫度值t，即：

UAB=t×10-2V(5)

至此，測溫電橋就將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成了與攝氏溫度值成正比的電壓值。

5.PID調(diào)節(jié)器

溫度測控裝置的調(diào)節(jié)控制器中的一路采用了PID調(diào)節(jié)器(比例積分微分調(diào)節(jié)器)，它能根據(jù)溫度設(shè)定值與實際值之差的比例值、積分值、微分值來確定控制量的大小。溫度測控裝置采用的是輸出反饋型控制，將這一部分從原理總圖中抽取出來，就可得到如圖5所示的PID調(diào)控原理圖。圖中Ud與U分別為恒溫箱的設(shè)定值和實際值，誤差e=Ud﹣KT，K為測量變換器的放大倍數(shù)，Y為PID輸出的調(diào)節(jié)量。

圖5 PID調(diào)控原理圖

PID算法的模擬表達式為：

式中，Y(t)：調(diào)節(jié)器輸出值;

e(t)：輸入偏差;

KP：調(diào)節(jié)器比例系數(shù);

Tl、TD：詞節(jié)器積分、微分時間

將(6)式進行離散化處理后，得PID增量控制算式：

式中，積分系數(shù)Kl=KPT/T1，微分系數(shù)KD=KPTD/r，T為采樣周期。

再將(7)式進行Z變換，得：

在實驗中，筆者用一個階躍信號，粗測了在開環(huán)狀態(tài)下的響應(yīng)，由階躍響應(yīng)曲線得知恒溫箱為一階慣性環(huán)節(jié)加純時滯環(huán)節(jié)，即：

求出系統(tǒng)的滯后時間r約為20秒，對象時間常數(shù)TP約為50秒。選擇控制度為1.5，根據(jù)階躍響應(yīng)曲線整定參數(shù)法(參見文獻[1])，求得：

T=0.34z=6.8s

Kr=0.85Tr，/r=2.125

T1=1.62r=32.4s

TD=0.65r=13s

將上述值代人(9)式，可求得：

q0=6.41

q1=-5.96

q2=4.06

則PID調(diào)節(jié)器的方程式為：

PID調(diào)節(jié)器的方程式

6.程序設(shè)計

WCZ-98型溫度測控裝置的PID控制程序流程如圖5所示，其基本思想與一般的PID控制流程一樣。這里不再贅述。

圖6PID控制程序流程圖

7.實驗分析與結(jié)論

將溫度測控裝置裝入外形尺寸為248×208×262(mm)的恒溫箱中。恒溫箱采用50mm厚的聚苯乙烯作為隔熱材料，以水為介質(zhì)，加熱裝置由2支SRS3—220/0.5發(fā)熱管及防漏電的輔助部件組成。恒溫箱外可預(yù)置溫度并有開關(guān)可選擇調(diào)節(jié)控制器的種類。通過實驗，將兩種調(diào)節(jié)控制方式的控制效果進行比較，我們發(fā)現(xiàn)由比較放大器和繼電器組成的調(diào)節(jié)控制器在溫度控制過程中，溫度不太平穩(wěn)，總在一定誤差范圍內(nèi)波動。而由PID調(diào)節(jié)器和可控硅組成的調(diào)節(jié)控制器控溫性能非常好，以控溫60℃為例，實驗得出的溫度變化曲線如圖7所示。

圖7PID控溫實驗結(jié)果曲線

由此可知，用模擬電路來進行調(diào)節(jié)控制，有利于將測控裝置做成一個獨立的儀器(不需要與計算機相連)，其測控溫精度能滿足一般意義上的要求;而通過PID來控制，其測控溫精度很高，將其與恒溫箱和自行研制的SYZJX一2型實驗轉(zhuǎn)接箱配合使用，通過模擬量輸入板PCL-818L、模擬量輸出板PCL-726與計算機相連，可以實現(xiàn)高精度控溫。

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