基于AD590的數字式溫度測控裝置設計介紹|壹芯微

本文介紹了一種適用于實驗室條件下實驗、研究和二次開發的數字式溫度測控裝置。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果。

1.引言

對于導彈武器和設備等大型系統，其性能往往受到外部環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，過去開發的溫度測控系統通常是一個獨立的系統，一物一用，很難被其他系統采用，存在維護困難、維修不便等問題。為此，作者根據目前流行的模塊化設計原理，開發了一種適用于實驗室條件下研發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，經差動放大并進行緩沖隔離后一路送至數顯表進行數字化溫度顯示，另一路與設定值相比較。比較出來的差值由開關K控制可選擇送人兩路調節控制器。其中一路由比較放大器和繼電器組成，以此為調節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備;另一路由PID調節器(由A/D、D/A與裝有PID調節軟件的計算機構成)和可控硅組成。從調節控制器出來的信號通過控溫執行元件實現溫度控制。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，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、分體式結構的特點。其主要技術指標為：

a.測溫范圍：一55.150℃;

b.電流輸出(標定系數)：lμA/K;

c.電源電壓：直流4—30V;

d.線性度：在滿量程范圍內小于±0.5℃;

e.重復性：±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AD590的電流Ir是其所在環境的絕對溫度的單值函數，且Ir的微安數就等于絕對溫度值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

通過調節Rw2使(R2+Rw2)等于10K，將(1)式代入(2)式可得：

U1=Ii×(R2+Rw2)=T×10-2V(3)

通過調節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，測溫電橋就將環境溫度轉化成了與攝氏溫度值成正比的電壓值。

5.PID調節器

溫度測控裝置的調節控制器中的一路采用了PID調節器(比例積分微分調節器)，它能根據溫度設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調控原理圖。圖中Ud與U分別為恒溫箱的設定值和實際值，誤差e=Ud﹣KT，K為測量變換器的放大倍數，Y為PID輸出的調節量。

圖5 PID調控原理圖

PID算法的模擬表達式為：

式中，Y(t)：調節器輸出值;

e(t)：輸入偏差;

KP：調節器比例系數;

Tl、TD：詞節器積分、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Kl=KPT/T1，微分系數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，粗測了在開環狀態下的響應，由階躍響應曲線得知恒溫箱為一階慣性環節加純時滯環節，即：

求出系統的滯后時間r約為20秒，對象時間常數TP約為50秒。選擇控制度為1.5，根據階躍響應曲線整定參數法(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調節器的方程式為：

PID調節器的方程式

6.程序設計

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，加熱裝置由2支SRS3—220/0.5發熱管及防漏電的輔助部件組成。恒溫箱外可預置溫度并有開關可選擇調節控制器的種類。通過實驗，將兩種調節控制方式的控制效果進行比較，我們發現由比較放大器和繼電器組成的調節控制器在溫度控制過程中，溫度不太平穩，總在一定誤差范圍內波動。而由PID調節器和可控硅組成的調節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控溫實驗結果曲線

由此可知，用模擬電路來進行調節控制，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，可以實現高精度控溫。

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