一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统及控制方法，由测温和控温两部分组成。测温部分包括：恒流源驱动电路、电桥测温电路、滤波限幅电路；控制算法采用PID线性控制器和Fuzzy控制器混合控制；加热器驱动电路采用光电耦合器结合双向可控硅进行交流电源控制。本发明专利技术系统性能稳定，抗干扰能力强，可实现温度分辨率0.1℃，温度设置及控制精度36±0.2℃。本发明专利技术系统不仅可以为X射线荧光光谱仪的样品室和分光室提供恒温环境，也可以应用于需要恒温调节的小环境场合的计量与测试。

【技术实现步骤摘要】
一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统及控制方法
本专利技术涉及一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统及控制方法，属于光谱仪恒温控制
。
技术介绍
X射线荧光光谱分析技术，具有制样简单、分析精度高、准确度好、成本低、低污染、能同时对多元素快速分析等优点，应用领域广泛，已成为现代分析实验室必有的三大仪器之一。据不完全统计，全国各个分析领域拥有各种类型的大功率波长色散X射线荧光光谱仪超过2000台，并且以每年200-300台的速度在增加或更新。由于目前国内尚无大功率波长色散X射线荧光光谱仪的生产基地，长期依赖进口，因此，研究、设计、开发拥有自主知识产权的X射线荧光光谱仪是十分必要的。 X射线荧光光谱定性分析的基本原理可以表述为:样品受X射线照射后，其中各元素原子的内壳层(K、L或者M壳层)电子被激发逐出原子而引起壳层电子跃迁，并发射出该元素的特征X射线(荧光)。每一种元素都有其特定波长(或能量)的特征X射线。通过测定样品中特征X射线的波长(或能量)，便可确定样品中存在何种元素。 X射线荧光光谱定量分析的基本原理可以表述为:元素特征X射线的强度与该元素在样品中的原子数量(即含量)成比例，因此通过测量样品中某元素特征X射线的强度，采用适当的方法进行校准与校正，便可求出该元素在样品中的含量。 无论是定性分析还是定量分析，一般都采用晶体分光的方法测量X射线的波长或强度，分光晶体作为X射线衍射的光栅。由于晶体都存在一定的热膨胀系数，所以温度的变化会引起晶体的面间距变化，从而引起探测角度的变化，给测量带来误差。因此，尽量保持分光晶体所在环境的温度稳定，是提高测量准确度的一个重要方面。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提出一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统及控制方法，实现温度分辨率0.rc，温度设置及控制精度36±0.2°C。 一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统，包括测温和控温两个部分； 测温部分包括恒流源驱动电路、电桥测温电路、滤波放大限幅电路； 控温部分包括控制芯片、加热器驱动电路； 应用于一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统的控制方法，包括以下几个步骤: 步骤一:高精度电压基准芯片AD588BQ输出精准的+5V的基准电压，分别输出至0P07AZ1的正相输入端管脚3和0P07AZ2的反相输入端管脚2 ；0P07AZ1构成加法器，0P07AZ2构成跟随器，通过调整电位器R3，控制0P07AZ1的输出端管脚6输出0.5mA的恒定电流至电桥测温电路驱动温度传感器PtlOOO ； 步骤二:温度传感器PtlOOO采用三线制接法，将温度信号转换为电压信号；步骤一中输出的0.5mA恒定电流经过参考电阻R9和温度传感器PtlOOO ；0P07AZ3对电阻R9的端电压进行单位放大后输入至0P07AZ5的反相输入端管脚2 ；0P07AZ4对PtlOOO的端电压进行2倍放大后，输入至0P07AZ5的正相输入端管脚3 ；0P07AZ5的输出管脚6的输出信号即为经过放大的由PtlOOO电阻变化引起的电压变化； 步骤三:步骤二中输出的电压信号经过滤波放大后，输入到限幅电路，将输出信号稳定在3.3V以下，然后将该信号输入到控制芯片中； 步骤四:根据步骤三的结果确定控制算法；控制算法采用PID线性控制器和Fuzzy控制器混合控制,在偏离设定温度点大于±0.5°C时采用Fuzzy控制,在工作点附近±0.5°C以内采用PID控制；根据控制算法计算得到的控制量，利用控制芯片中的事件管理器EV模块产生PWM波形，并将此波形输出到加热器的驱动电路；当PWM信号为高电平时，满足触发条件，故光耦产生电流信号从而驱动双向可控硅导通，加热器电源接通；当PWM信号为低电平时，光耦内部光电二极管不工作，双向可控硅关断，加热器电源断开。 本专利技术的优点在于: (I)恒温控制系统抗干扰能力强，性能稳定工作可靠； (2)采用了限幅保护，防止了瞬时高电压所引起的击穿破坏，有效保护了系统的稳定工作； (3)本恒温控制系统不仅可以为X射线荧光光谱仪的样品室和分光室提供恒温环境，也可以应用于需要恒温调节的小环境场合的计量与测试； (4)本恒温控制系统控温部分采用Fuzzy-PID混合控制，可以通过改变输出PWM波的占空比控制加热器的功率，达到精确控温的目的。 【附图说明】 图1是恒流源驱动电路的电路设计图； [0021 ]图2是电桥测温电路的电路设计图； 图3是滤波放大限幅电路的电路设计图； 图4是系统实际测量的阶跃响应曲线图； 图5是加热器驱动电路的电路设计图； 图6是恒温控制系统的短期温控曲线； 图7是恒温控制系统的长期温控曲线； 图8是本专利技术测温模块的完整电路图。 【具体实施方式】 下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。 本专利技术是一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统，如图8所示，包括测温和控温两个部分。 测温部分包括恒流源驱动电路、电桥测温电路、滤波放大限幅电路。 恒流源驱动电路包括高精度电压基准芯片AD588BQ以及具有低噪声、低失调、高开环增益的双极性运算放大器0P07AZ1和0P07AZ2构成，如图1所示。 高精度电压基准芯片AD588BQ采用双电源供电，供电电源置于图1中的P3位置，P3是接线端子，外接的正电源通过P3的管脚3与AD588BQ的管脚2相连，外接的负电源通过P3的管脚I与AD588BQ的管脚16相连，P3的管脚2接地。在AD588BQ的管脚2连接极性电容Cl的正极，管脚16连接极性电容C2的负极，电容Cl的负极和电容C2的正极接地。管脚I和管脚3相连后，经电容C6接地。管脚6和管脚8之间接电位器Rl和R2，Rl的抽头与管脚12相连，R2的抽头与管脚5相连。管脚4和管脚6相连，经过电阻R8与P3的管脚3连接。管脚7接极性电容C3的正极，C3的负极接地。管脚9直接接地。管脚10和管脚11直接相连。管脚13和管脚8相连。管脚14和管脚15相连，经过电容C7后接地。AD588BQ的管脚I和管脚3相连，输出精准的+5V的基准电压，经过电阻R4后分成两路，一路输入至0P07AZ1的正相输入端管脚3，另一路经过电阻R5后输入至0P07AZ2的反相输入端管脚2。 0P07AZ2构成电压跟随器，输出端管脚6与反相输入端管脚2直接相连。管脚3与0P07AZ1的输出端管脚6经过电阻R3相连，再经过极性电容C4接地。 0P07AZ1构成加法器，其管脚2经过电阻R6后接地，管脚6与管脚2之间接电阻R7。管脚6接电位器R3，R3的抽头与管脚6相连。通过调整R3，控制0P07AZ1的输出端管脚6输出0.5mA的恒定电流至电桥测温电路。 电桥测温电路主要由温度传感器PtlOOO和运算放大器0P07AZ3和0P07AZ4构成，如图2所示。 恒流源驱动电路输出的0.5mA恒定电流经过由电阻R22和极性电容C4、C5组成的滤波电路后分成两路，一路接0P07AZ3的正相输入端管脚3，另一路驱动参考电阻R9和温度传感器PtlOOO。R22的两端分别与极性电容C4和C5的正极相连，这两个电容的负极接地。温度传感器PtlOOO将温度信号转换为电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统，包括测温和控温两个部分； 测温部分包括恒流源驱动电路、电桥测温电路、滤波放大电路、限幅电路； 恒流源驱动电路包括电压基准芯片AD588BQ、运算放大器OP07AZ1、运算放大器OP07AZ2； P3为供电电源接线端子，外接的正电源通过P3的管脚3与AD588BQ的管脚2相连，外接的负电源通过P3的管脚1与AD588BQ的管脚16相连，P3的管脚2接地； AD588BQ的管脚2和管脚16的输入端分别连接极性电容C1的正极和极性电容C2的负极，电容C1的负极和电容C2的正极接地；管脚1和管脚3相连后，经电容C6接地；管脚6和管脚8之间接电位器R1和电位器R2，电位器R1的抽头与管脚12相连，电位器R2的抽头与管脚5相连；管脚4和管脚6相连，经过电阻R8与P3的管脚3连接；管脚7接极性电容C3的正极，C3的负极接地；管脚9直接接地；管脚10和管脚11直接相连；管脚13和管脚8相连；管脚14和管脚15相连，经过电容C7后接地；AD588BQ的管脚1和管脚3相连，输出精准的+5V的基准电压，经过电阻R4后分成两路，一路输入至OP07AZ1的正相输入端管脚3，另一路经过电阻R5后输入至OP07AZ2的反相输入端管脚2； OP07AZ2构成电压跟随器，输出端管脚6与反相输入端管脚2直接相连；管脚3与OP07AZ1的管脚6经过电阻R3相连，再经过极性电容C4接地； OP07AZ1构成加法器，管脚2经过电阻R6后接地，管脚6与管脚2之间接电阻R7；管脚6接电位器R3，R3的抽头与管脚6相连；通过调整R3，控制OP07AZ1的管脚6输出0.5mA的恒定电流至电桥测温电路； 电桥测温电路包括温度传感器Pt1000、运算放大器OP07AZ3、运算放大器OP07AZ4； 恒流源驱动电路输出的0.5mA恒定电流经过由电阻R22和极性电容C4、极性电容C5组成的滤波电路后分成两路，一路接OP07AZ3的管脚3，另一路驱动参考电阻R9和温度传感器Pt1000；电阻R22的两端分别与电容C4和电容C5的正极相连，电容C4和电容C5的负极接地；温度传感器Pt1000将温度信号转换为电压信号，采用三线制接法，作为电桥的一个桥臂电阻，通过接线端子P1接入测温电路，P1的管脚1直接接地，管脚2接 OP07AZ4的管脚3，P1的管脚3与参考电阻R9相连； OP07AZ3构成电压跟随器，管脚6和管脚2直接相连，对电阻R9的端电压进行单位放大，经过电阻R14后输入至OP07AZ5管脚2； OP07AZ4与电阻R10和电阻R11构成电压串联负反馈电路，管脚6经电阻R11与管脚2相连，再经过电阻R10接地，构成反馈；OP07AZ4对温度传感器Pt1000的端电压进行2倍放大后，管脚6经电阻R12输入至OP07AZ5的管脚3； OP07AZ5起差分放大作用，反馈电阻R15置于OP07AZ5的管脚2和管脚6之间，电阻R13的一端接OP07AZ5的管脚3，另一端接地；OP07AZ5的管脚6的输出即为经过放大的由温度传感器Pt1000电阻变化引起的电压变化，即把温度的变化转化成为电信号的变化； 滤波放大限幅电路包括运算放大器OP07AZ6、运算放大器OP07AZ7； OP07AZ5的输出经电阻R16和电阻R18后，输入至OP07AZ6的管脚3，电容C8一端接在电阻R16和电阻R18之间，另一端与OP07AZ6的管脚6相连；电容C9一端接OP07AZ6的管脚3，另一端直接接地；反馈电阻R19接在OP07AZ6的管脚2和管脚6之间，管脚2经电阻R17后直接接地； OP07AZ6的管脚6与OP07AZ7的管脚3相连，反馈电阻R21接在OP07AZ7的管脚2和管脚6之间，管脚2经电阻R20后直接接地；OP07AZ7的管脚6输出的信号即为经过低通滤波放大的模拟温度信号，经过电阻R23后连接稳压二极管ZPD3.3V的阴极，利用稳压二极管ZPD3.3V将输出电压限制在0～3.3V之内后，通过接线端子P2输出至控制芯片的AD转换模块； 接线端子P2用以实现测温电路与控制芯片的连接，管脚1接测温电路的输出，管脚2接地； 所述的运算放大器OP07AZ中管脚7接电源电压+5V，管脚4接电源电压‑5V，管脚1，管脚5和管脚8悬空； 控温部分包括控制芯片、加热器驱动电路； 控制芯片内采用Fuzzy‑PID复合控制，根据测温电路输出的温度变化的电信号，当温度偏差偏离设定点大于±0.5℃时，采用Fuzzy控制方法，当偏差在设定点附近±0.5℃以内， 采用PID控制方法，根据控制方法计算得到的控制量，利用控制芯片中的事件管理器模块产生PWM波形，并将此波形输出到加热器的驱动电路； 加热器驱动电路包括光电耦合器、双向可控硅VT1，控制芯片输出的PWM信号经过电阻R1’与光电耦合器...

【技术特征摘要】
1.一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统，包括测温和控温两个部分； 测温部分包括恒流源驱动电路、电桥测温电路、滤波放大电路、限幅电路； 恒流源驱动电路包括电压基准芯片AD588BQ、运算放大器0P07AZ1、运算放大器0P07AZ2 ； P3为供电电源接线端子，外接的正电源通过P3的管脚3与AD588BQ的管脚2相连，外接的负电源通过P3的管脚I与AD588BQ的管脚16相连，P3的管脚2接地； AD588BQ的管脚2和管脚16的输入端分别连接极性电容Cl的正极和极性电容C2的负极，电容Cl的负极和电容C2的正极接地；管脚I和管脚3相连后，经电容C6接地；管脚6和管脚8之间接电位器Rl和电位器R2，电位器Rl的抽头与管脚12相连，电位器R2的抽头与管脚5相连；管脚4和管脚6相连，经过电阻R8与P3的管脚3连接；管脚7接极性电容C3的正极，C3的负极接地；管 脚9直接接地；管脚10和管脚11直接相连；管脚13和管脚8相连；管脚14和管脚15相连，经过电容C7后接地；AD588BQ的管脚I和管脚3相连，输出精准的+5V的基准电压，经过电阻R4后分成两路，一路输入至0P07AZ1的正相输入端管脚3，另一路经过电阻R5后输入至0P07AZ2的反相输入端管脚2 ； 0P07AZ2构成电压跟随器，输出端管脚6与反相输入端管脚2直接相连；管脚3与0P07AZ1的管脚6经过电阻R3相连，再经过极性电容C4接地； 0P07AZ1构成加法器，管脚2经过电阻R6后接地，管脚6与管脚2之间接电阻R7 ;管脚6接电位器R3，R3的抽头与管脚6相连；通过调整R3，控制0P07AZ1的管脚6输出0.5mA的恒定电流至电桥测温电路； 电桥测温电路包括温度传感器Pt 1000、运算放大器0P07AZ3、运算放大器0P07AZ4 ；恒流源驱动电路输出的0.5mA恒定电流经过由电阻R22和极性电容C4、极性电容C5组成的滤波电路后分成两路，一路接0P07AZ3的管脚3，另一路驱动参考电阻R9和温度传感器PtlOOO ;电阻R22的两端分别与电容C4和电容C5的正极相连，电容C4和电容C5的负极接地；温度传感器PtlOOO将温度信号转换为电压信号，采用三线制接法，作为电桥的一个桥臂电阻，通过接线端子Pl接入测温电路，Pl的管脚I直接接地，管脚2接0P07AZ4的管脚.3，Pl的管脚3与参考电阻R9相连； 0P07AZ3构成电压跟随器，管脚6和管脚2直接相连，对电阻R9的端电压进行单位放大，经过电阻R14后输入至0P07AZ5管脚2 ； 0P07AZ4与电阻RlO和电阻Rll构成电压串联负反馈电路，管脚6经电阻Rll与管脚2相连，再经过电阻RlO接地，构成反馈；0P07AZ4对温度传感器PtlOOO的端电压进行2倍放大后，管脚6经电阻R12输入至0P07AZ5的管脚3 ； 0P07AZ5起差分放大作用，反馈电阻R15置于0P07AZ5的管脚2和管脚6之间，电阻R13的一端接0P07AZ5的管脚3，另一端接地；0P07AZ5的管脚6的输出即为经过放大的由温度传感器PtlOOO电阻变化引起的电压变化，即把温度的变化转化成为电信号的变化； 滤波放大限幅电路包括运算放大器0P07AZ6、运算放大器0P07AZ7 ； 0P07AZ5的输出经电阻R16和电阻R18后，输入至0P07AZ6的管脚3，电容C8 —端接在电阻R16和电阻R18之间，另一端与0P07AZ6的管脚6相连；电容C9 一端接0P07AZ6的管脚3，另一端直接接地；反馈电阻R19接在0P07AZ6的管脚2和管脚6之间，管脚2经电阻R17后直接接地；0P07AZ6的管脚6与0P07AZ7的管脚3相连，反馈电阻R21接在0P07AZ7的管脚2和管脚6之间，管脚2经电阻R20后直接接地；0P07AZ7的管脚6输出的信号即为经过低通滤波放大的模拟温度信号，经过电阻R23后连接稳压二极管ZTO3.3V的阴极，利用稳压二极管ZPD3.3V将输出电压限制在O~3.3V之内后，通过接线端子P2输出至控制芯片的AD转换模块； 接线端子P2用以实现测温电路与控制芯片的连接，管脚I接测温电路的输出，管脚2接地； 所述的运算放大器0P07AZ中管脚7接电源电压+5V，管脚4接电源电压-5V，管脚I，管脚5和管脚8悬空； 控温部分包括控制芯片、加热器驱动电路； 控制芯片内采用Fuzzy-PID复合控制，根据测温电路输出的温度变化的电信号，当温度偏差偏离设定点大于±0.5°C时，采用Fuzzy控制方法，当偏差在设定点附近±0.5°C以内，采用PID控制方法，根据控制方法计算得到的控制量，利用控制芯片中的事件管理器模块产生PWM波形，并将此波形输出到加热器的驱动电路； 加热器驱动电路包括光电I禹合器、双向可控娃VTl,控制芯片输出的PWM信号经过电阻R1’与光电耦合器内部光电二极管的阳极管脚I相连，阴极管脚2接地；光电耦合器的管脚6经电阻R2’接双向可控硅的管脚1，双向可控硅的管脚2经电阻R3’与光电耦合器的管脚4相连，双向可控硅的管脚3与光电耦合器的管脚4直接相连；电阻R4’和极性电容Cl’的正极串联后与双向可控硅VTl并联；交流电220V输入与双向可控硅的管脚I相连，双向可控硅的管脚2为加热器 的驱动输出；当PWM信号为高电平时，满足触发条件，故光耦产生电流信号从而驱动双向可控硅VTl导通，加热器电源...

【专利技术属性】
技术研发人员：麻硕，邱忠义，谢鹏，宋敏，由菁菁，
申请(专利权)人：北京金自天正智能控制股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11