微波消解仪温度校准系统的研究

郭冬梅， 许 蕊

（济宁市计量测试所， 山东 济宁 272100）

1 概述

微波消解是温度和化学计量领域快速兴起的分析类仪器，它具有操作简单、测量准确、不轻易污染等特点，因此被广泛应用于疾病预防控制中心、农产品检测中心、食品厂、环境监测站、药厂等领域。微波消解仪是利于微波加热的原理，并配合压力的作用对样品进行分解的。其重要的指标是温度和压力，尤其是温度指标，温度的高低直接影响到实验结果，因此开展对微波消解仪温度的计量校准具有非常重要的意义。

2 微波消解仪温度校准系统分析

微波消解仪温度校准系统是由PC机、温度传感器K型热电偶、数字调节仪、温度测试仪构成，在此系统中应用K型热电偶温度传感器检测温度，经信号处理后，在Modbus协议下通过串行通讯线进行温度的传送与命令的传输，最终在PC机上应用编程软件VB语言实现温度的显示与控制，实现PC机与数字仪表之间的信息与数据的交流与传送。通过PID控制来对系统温度进行控制，保持温度的恒定，实现数字仪表温度的恒定化，来达到校验消解仪温度的目的[1]。通过MATLAB软件编写数字识别程序，实现对温度测试仪的温度数字的识别来比较数字调节仪上的温度，判断数字调节仪上的温度是否在准确，在误差允许的范围内，是否可以作为校准消解仪温度的参照依据，整个系统的整体正常运行实现了对消解仪的温度校验功能，如图1所示。

3 PID控制部分分析

系统的温度控制采用PID控制，数字调节仪上当系统开始工作时，首先由单片机控制软件发出温度读取指令，通过温度传感器采集加被控对象的当前温度值并送显示屏实时显示。然后，将温度测量值与设定值进行比较，差值送PID控制器，PID控制器处理后输出一定量的控制值，经D/A转换为模拟电量，控制被控对象进行加热。PID控制器采用位置式PID控制算法，由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，对积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。对PID的参数进行整定时采用基于曲线拟合的最大切线法，解决了飞升曲线切线的斜率最大处不好确定问题，同时又可以利用飞升曲线法提取系统参数特征参数简单易行，实现较好的减少随机误差有不会使参数计算复杂化。在机与曲线拟合的最大切线法下得到的系统参数，通过ZN经验公式转化为PID控制的三的参数[2]。

图1 微波消解仪温度校准系统图

4 温度传感器部分分析

设计中使用的是K型热电偶温度传感器，温度传感器K型热电偶具有如下特点[3]。测量精度高，因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响；测量范围广，常用的热电偶从-50～+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2 800℃（如钨-铼）；构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便等优点。

5 温度显示部分分析

本温度显示与控制的界面采用的是可视化语言Visual Basic和Matlab编写成的。VB是事件驱动型的语言，不断响应各种事件，并且根据优先级来做出相应的响应。PC与数字调节仪连接之后，就能实现寻找并且自主打开所用的串口。用VB MSComm控件和串口的通信来发送握手命令，查询数字调节仪是否在线，同时读取数字调节仪的回答命令来判断。PC用VB MSComm控件，采取触发的方式，接收并且判断是不是上传的温度数据命令，并显示温度值。因此PC机实现了与数字调节仪的数据，命令的交互。

6 校准系统的设置

通过电源模块连接继电器对加热棒进行加热，通过K型热电偶实现对温度的采集，传输到数字调节仪上，实现数字调节仪对传感器温度的读取。在数字调节仪与PC机之间，数据的传输与回复通过RS232串口与RS485串口的连接，通过Modbus协议在端口号、外设地址、参数地址与数据位、校验码上规定的数据格式以及自主对参数的选择来实现PC机与数字调节仪之间的数据连接，实现PC机对数字调节仪上的温度读取以及对数字调节仪上的温度设定值的设置。

7 结语

微波消解仪温度校准系统解决了微波消解仪温度无法校准的问题，它采用了微电子技术，把测试探头送置于稳定可调的温度源内，与被测物体充分接触，经敏感元件变换、后续有效的电路处理及PID控制处理、微机数据处理后，在PC机上显示数据并处理，并且使用PID控制来控制系统温度，通过MATLAB识别温度仪温度来与PC机显示温度比较，确定温度误差，形成了微波消解仪温度自动校准。课题研制成功能为消解仪的温度校准提供了合法有效的技术手段和方法，解决了消解仪温度校准的问题。温度校准系统硬件方面是由PC机和数字调节仪以及温度显示仪器来实现的，K型热电偶采集到的温度数据通过温度变送器传送到数字调节仪上，运行在PC机上的编程软件VB利用串行通讯线提供给硬件的接口，通过RS485与RS232在Modbus协议的基础上，对整个总线进行操作控制，实现数字调节仪上的温度值显示及温度值的设定，并且对测量数据进行处理和反馈，实现对微波消解仪的温度校准功能。