PCS粒度仪样品池温度控制器

　　PCS(Photon Correlation Spectroscopy,光子相关光谱)技术是一种适于测量微米以下颗粒粒度的有效方法。颗粒的布朗运动在一定角度下的散射光强会随机涨落;这种涨落与颗粒的粒径有关,颗粒越小,涨落越快。PCS技术就是通过这种涨落变化的快慢,得到影响这种变化的颗粒粒径信息。如果测量装置中样品池温度不恒定,会带来附加的颗粒运动,从而引起测量误差。所以,光子相关光谱测量应在恒温下进行。本文设计的样品池温度测量控制装置,采用单片机控制。测量部分采用铜-康铜热电偶作为温度传感器,既保证测量精度又可减小体积。温度控制部分采用半导体制冷/加热器,改变流经器件的电流方向就可改变其冷热端,从而进行升温和降温。

　　1　温度测量电路

　　温度测量电路如图1所示。热电偶测温端温度信号经运放ICL7650放大后,进入由LM358构成的加法器,与冷端所测的温度相加。热电偶冷端温度由PN结温度传感器测得,经另一运放ICL7650放大后,也送入加法器,作为温度补偿。经过补偿后的温度,送入A/D转换器MC14433,转换成数字信号后,进入微控制器89C51。

　　2　温度控制电路

　　温度控制部分采用半导体制冷/加热器,进行制冷和加热。半导体制冷/加热器的特点是,改变流经的电流方向就可改变其冷热端,从而进行升温和降温。其工作原理基于Peltier效应。当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时,节点上将产生吸热或放热现象,这种现象称为Peltier效应。对于半导体材料,当电流从空穴型半导体流向电子型半导体时,接头处温度升高并放热,反之,接头处降温并从外界吸热。半导体致冷器的结构如图2所示。

　　在选择半导体制冷器时,一般应按降温或升温时的热负荷和热损失来选择,但本装置的特点是,样品池体积小,控温范围小,且接近室温,因而对器件的尺寸要求是主要矛盾,所以需要选用微型器件。基于这样的考虑,本文选用了TEC1-1704微型半导体制冷器。其极限参数为:最大温差电流I_max=4A,最大温差电压V_max=2V,最大制冷功率Q_max=4.5W。

　　温度控制部分电路如图3所示。当单片机测得的温度与设定值不同时,通过P1口,给出控制信号。如果所测温度高于设定温度,由P1.0和P1.2输出控制信号使继电器J1、JW的线圈得电,半导体致冷/加热器进行制冷工作。温度接近设定值时,P1.2改为间断输出,JW间断得电,从而降低温度变化速率。当温度低于设定值时,JW失电,停止制冷。由于停止制冷,温度再次回升至设定值以上时,再次使JW间断得电,重复制冷过程,使得温度在设定值很小的范围内缓慢变化。加热工作方式和制冷方式类似。这时,通过P1.1和P1.2输出控制信号使继电器J2、JW的线圈得电,半导体致冷/加热器进行加热工作。74LS244和光耦分别用于输出驱动和隔离。