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基于MSC1210的冰点温度测量系统

发布时间:2020-06-30 17:35:36 阅读: 来源:羽毛球厂家

引言

本文引用地址:冰点温度测量系统根据拉乌尔冰点理论,以溶液冰点下降值与溶液的摩尔浓度成正比关系为基础,采用高灵敏的感温元件——热敏电阻测量不同溶液的冰点,进而得出所测溶液的渗透压摩尔浓度[1]。同一溶液的冰点会随溶液摩尔浓度的变化而改变。一般情况下溶液浓度越高,其冰点越低。冰点温度测量系统在药物研发、生产及临床用药等方面具有重要应用[2]。

1、冰点测量原理

对于水溶液,在从液态向固态冷却变化过程中,温度虽已达到结冰点甚至超过结冰温度,而不发生结冰的现象称之为“过冷现象”。这时的液体是极不稳定的,受到一定的扰动可触发其立刻结晶而变为固态,由于分子能量突然由高能态变为低能态,多余的能量就会以热的形式释放出来,称为晶化热。由于晶化热的存在,使过冷的溶液在结冰形成过程产生温度回升现象,溶液在结冰后有一段温度平稳的时间,即冰点温度稳定时间出现,这段平稳的温度称之为测量冰点。上述过程可用“结冰曲线”(图1)予以描述[3]。

图中的温度—时间曲线,AB段为降温阶段,BC段为过冷阶段,CD段为所述的温度回升阶段,DE段相对稳定的曲线即为所测溶液的冰点温度。因此,只要通过系统中的高灵敏度温度传感器测得这段平稳曲线的温度值,最终就能得出所测溶液的渗透压摩尔浓度。

2、MSC1210特性简介

MSC1210是美国德州仪器(TI)公司推出的高精度ADC SoC(System on Chip)芯片,内置32位高精度∑-ADC转换器,8通道差动/单端模拟输入,增强的8052内核,32位累加器和32K的Flash存储器(MSC1210Y5),可自行分配数据和程序存储器的大小,兼容SPI串口等片外设备[4][5]。其速度快、处理能力强、可靠性高、功耗低,与目前常用的8位微控制器相比,其片内资源丰富,适应于各种控制场合,内部集成度高,硬件可靠性和稳定性强,应用范围广泛。

3、冰点温度测量系统的总体设计

本文的设计是应用于溶液的冰点温度测量。如图2所示,温度传感器1采用高灵敏度玻璃封装负温度系数的热敏电阻[6],将其置于被测溶液中,把测量的模拟信号送入MSC1210,模拟信号经过MSC1210内部的PGA,放大后进AD转换器,单片机根据转换后的信号大小,通过数学运算将其转换成温度,并通过串口与PC机进行通讯。当温度传感器检测到溶液处于过冷状态即溶液温度处于图1中的C点时,MSC1210控制直流电机带动一根探针,用探针刺入溶液的方式对溶液制造扰动,使溶液迅速结晶。为避免探针温度对溶液结晶过程组成影响,MSC1210控制制冷系统对溶液和探针同时制冷[7],并用温度传感器2粗略测量制探针所处的环境的温度。温度传感器2采用DS18B20一线总线数字式传感器[8],其具有12位的分辨率,正确度(correctness)[9]为±0.5℃,可将测量温度以数字形式送入MSC1210。

4、系统电路

MSC1210只需要极少的外部元件便可以构成高精度的测量仪表,根据此系统的实际应用,可用恒流源法组成一个温度测量系统。组建恒流源电路的方法有很多[10],本系统采用稳压管加运算放大器的方法。

如图3所示,运放LF356、稳压管LM335/5V和电阻R1、R2构成一个恒流源系统。R1两端电压 即为稳压管D1两端电压,流经R1的电流即为经过热敏电阻Rx的电流,Rx两端电压即为MSC1210的0通道AIN0输入电压。即

由式(2)可知,热敏电阻Rx阻值与AIN0输入电压 成正比。通过测量 即可换算出热敏电阻所处环境的温度值。

5、仪器标定

仪器的标定采用测量标准溶液冰点对应电压值的方式。取0.1mol/kgH2O、0.2mol/kgH2O、0.3mol/kgH2O、……1.7mol/kgH2O的NaCl溶液,它们对应的冰点分别为-0.345℃、-0.690℃、-1.035℃、……、-5.865℃。测量溶液冰点对应电压值,拟合的温度-电压曲线如图4所示。根据温度与电压的对应关系,就可测得未知浓度溶液的冰点温度值。

6、实验结果

实验参数:实验室温约22℃,气压约101千帕;VD3约为4.87V;R1采用低温漂电阻,阻值约为19.8K;热敏电阻Rx在20℃时阻值约为2.08K。

按照实验硬件设计,参考电压为2.5V,AD转换为24位,理论上电压分辨率可以达到0.1uV,但程序设计其分辨率取到1uV。在实验中,尽管电路自身及周围环境的对测量电压造成一定干扰,通过AD转换后,电压的有效分辨力仍可达到50uV即0.05mV,对应被测温度的分辨力为0.001℃。

蒸馏水冰点温度测量过程曲线如图5、图6所示,其冰点温度测量值为0.002℃。0.9%NaCl溶液冰点温度测量过程曲线如图7所示,其冰点温度测量值为-0.517℃。

结论

本文根据拉乌尔冰点理论与溶液的过冷现象,设计了基于MSC1210的溶液冰点温度测量系统,其测量精度高,速度快,体积小,功耗低,可扩展性强,具有在线编程和在线调试功能,系统升级方便。在医药、环保、生物和食品卫生等领域有广阔的应用前景。

参考文献

[1] SHEN Man,ZHAO Haishan,LUO Shijin,et a1.“The Research of STY-1 0smometer”ISTM/2003,5:4308

[2] 叶宏宇,沈满,刘锁,渗透压测量方法简析,药物分析杂志,2001(21):94

[3] 胡英,陈学让,吴树森,物理化学(上册)[M],北京:人民教育出版社,1979:244

[4] 李刚,林凌,何峰等,高性能SoC模拟信号处理单片机MSC1210原理与开发应用[M],西安:西安电子科技大学出版社,2005:1-2

[5] Texas Instruments, Inc. Precision Analog-to-Digital Converter (ADC) with 8051 Microcontroller and Flash Memory. ,November 2004:15-16

[6] McGillicuddy,NTC Thermistor Basics and Principles of Operation,D. Sensors,December, 1993

[7] 徐德胜,半导体制冷与技术[M],上悔:上海交通大学出版社,1992:45

[8] 张鹏,熊磊,姚东苹,分辨率可编程的一线总线数字温度计DS18B20及其应用,电子产品世界,2002(04):23

[9] 费业泰,误差理论与数据处理[M],北京:机械工业出版社,2000:5

[10] 卫永琴,高建峰,一种恒流源电路的巧妙设计,仪器仪表学报,2006(9): 1170-1172

[11] Texas Instruments, Inc. MSC1210 debugging strategies for high-precision smart sensors. ,2005:3-10

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