用于六面頂壓機(jī)頂錘溫度控制的信號(hào)采集電路

黎 智

LI Zhi

（四川工程職業(yè)教育技術(shù)學(xué)院，德陽(yáng) 618000）

0 引言

金剛石在工業(yè)和民用的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但是天然金剛石的產(chǎn)量十分低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足人們的需求，于是就出現(xiàn)了人工合成的金剛石。

自18世紀(jì)證實(shí)了金剛石是由純碳組成的以后，人們就開(kāi)始了對(duì)人造金剛石的研究，只是在20世紀(jì)50年代通過(guò)高壓研究和高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展，才獲得真正的成功和迅速的發(fā)展。目前人造金剛石的具體方法多達(dá)十幾種。按所用技術(shù)的特點(diǎn)可歸納為靜壓、動(dòng)壓和低壓等三種方法。按金剛石的形成特點(diǎn)可歸納為直接、熔媒和外延等三類(lèi)方法。圖1中表示碳的壓力-溫度(P-T)相圖和三種方法人造金剛石的實(shí)驗(yàn)區(qū)。1區(qū)為直接法人造金剛石的實(shí)驗(yàn)區(qū)，2區(qū)為熔媒法人造金剛石的實(shí)驗(yàn)區(qū)，3區(qū)為外延法人造金剛石的實(shí)驗(yàn)區(qū)。

直接法：人造金剛石或利用瞬時(shí)靜態(tài)超高壓高溫技術(shù)，或動(dòng)態(tài)超高壓高溫技術(shù)，或兩者的混合技術(shù)，使石墨等碳質(zhì)原料從固態(tài)或熔融態(tài)直接轉(zhuǎn)變成金剛石，這種方法得到的金剛石是微米尺寸的多晶粉末。

熔媒法：人造金剛石用靜態(tài)超高壓(50～100kb，即5～10GPa) 和高溫(1100～3000°C)技術(shù)通過(guò)石墨等碳質(zhì)原料和某些金屬（合金）反應(yīng)生成金剛石，其典型晶態(tài)為立方體(六面體)、八面體和六-八面體以及它們的過(guò)渡形態(tài)。

外延法：人造金剛石是利用熱解和電解某些含碳物質(zhì)時(shí)析出的碳源在金剛石晶種或某些起基底作用的物質(zhì)上進(jìn)行外延生長(zhǎng)而成的。

目前在工業(yè)上顯出重要應(yīng)用價(jià)值的主要是靜壓熔媒法。采用這種方法可以得到磨料級(jí)人造金剛石的產(chǎn)量已超過(guò)天然金剛石。生產(chǎn)這種人造金剛石的主要設(shè)備就是六面頂壓機(jī)。對(duì)六面頂進(jìn)行控制時(shí)，其重點(diǎn)是要控制好合成腔內(nèi)的壓力和溫度，使其滿足人造金剛石的工藝條件。

圖1 碳的壓力-溫度（P-T）相圖

1 問(wèn)題描述

目前對(duì)六面頂壓機(jī)合成腔內(nèi)進(jìn)行溫度場(chǎng)控制是通過(guò)直流電加熱實(shí)現(xiàn)的，無(wú)論是控制電流還是電壓，最終還是以加熱功率的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)溫升。由于熱量是靠合成料棒電阻自發(fā)熱產(chǎn)生，即便是石墨襯管等的輔助措施也僅起到了保溫的作用，因此，其溫度梯度因散熱而生，溫度應(yīng)為自棒芯向外遞減，并且這種溫差在加熱與散熱條件不變的情況下，應(yīng)與合成棒直徑大小無(wú)關(guān)?；谶@種推理，合成腔體的擴(kuò)大，提供了一個(gè)可以形成更均衡與穩(wěn)定的溫度場(chǎng)的客觀條件，或者說(shuō)，在大腔體中符合優(yōu)質(zhì)金剛石生長(zhǎng)所需溫度條件的空間比例將更大。合成腔溫度的變化受兩種因素影響：其一是加熱，其二是散熱。目前，以加熱功率控制為基礎(chǔ)的控制模式有兩種：

1）為恒功率模式，加熱功率處于一種恒定狀態(tài)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，加熱量正比例增加；

2）為變功率模式，加熱功率可根據(jù)設(shè)定曲線變化，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，加熱量非正比例增加，這種方法可以使溫度在某一點(diǎn)保持恒定。

顯而易見(jiàn)，第二種方法可以更好的保證工藝的實(shí)施。的工業(yè)應(yīng)用上最常到的恒溫控制系統(tǒng)是PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過(guò)經(jīng)典控制理論的分析我們可以知道，閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能影響非常大。在六面體壓機(jī)的合成腔中是一種高溫和高壓的環(huán)境，要在腔體內(nèi)安裝溫度傳感器是十分困難的。所以，如何盡可能準(zhǔn)確的采集到合成腔內(nèi)的溫度信號(hào)就成了影響控制性能的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 一種用于六面頂壓機(jī)的溫度信號(hào)采集電路

本文將介紹一種信號(hào)采集電路，該電路通過(guò)測(cè)量加熱器電流和電壓的大小，再將信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算和除法運(yùn)算，不但可以得到瞬時(shí)功率的大小，還可以得到瞬時(shí)阻抗的大小。通過(guò)以上方法可以間接得到六面頂壓機(jī)合成腔內(nèi)的溫度信號(hào)，電路系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1 放大電路

圖2 系統(tǒng)框圖

圖3 放大電路圖

圖3所示電路為電流信號(hào)放大電路。電流信號(hào)的采集是通過(guò)測(cè)量加熱回路中串入的一段銅排兩端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。該電路共分為三部分。第一部分為前置放大電路，采用高精度運(yùn)算放大器AD548K，具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。由于采集的信號(hào)有幾十毫伏的電壓，所以前置放大器的放大倍數(shù)不能太大，以免造成電路的飽和。第二部分為隔離放大電路，采用了二端變壓器耦合的隔離放大器AD202KN作為放大器件，該芯片由放大器、調(diào)制器、解調(diào)器、整流和濾波、電源變換器等組成，具有精度高、功耗低、共模性能好、體積小等特點(diǎn)。第三部分為輸出阻抗匹配電路，采用了LF356，具有輸入阻抗高的特點(diǎn)，可保證信號(hào)的輸出。

第一級(jí)運(yùn)放的放大倍數(shù)為：

第二級(jí)的放大倍數(shù)為：

第三級(jí)的阻抗匹配電路對(duì)于信號(hào)的幅值沒(méi)有任何影響。經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后，總的放大倍數(shù)為26×2.6=67.6倍，采集信號(hào)范圍是0～±75mV，最后輸出的信號(hào)就放大成了 0～±5V，可以用于后續(xù)的A/D轉(zhuǎn) 換進(jìn)行信號(hào)處理。對(duì)于電壓信號(hào)放大電路而言，就少了一個(gè)前置放大電路，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，使AD202KN的放大倍數(shù)為2.5倍，采集信號(hào)范圍是0～±2V，經(jīng)過(guò)放大過(guò)后輸出信號(hào)也變成了0～±5V。

2.2 真有效值轉(zhuǎn)換電路

采集到的電壓信號(hào)或電流信號(hào)經(jīng)過(guò)前面的放大電路后，都變成了 的電壓信號(hào)。在這個(gè)環(huán)節(jié)必須要把 的交流輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成為有效值才能輸出，所以必須用到真有效值轉(zhuǎn)換電路。電路輸出的直流電壓將線性地正比于被測(cè)的各種波形交流信號(hào)的有效值，基本上不受波形失真度的影響。

AD637KD由美國(guó)AD公司研制的真有效轉(zhuǎn)換器，是一種隱含運(yùn)算式的AD芯片，轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于1%，性能較好，電路圖如圖4所示。

圖4 真有效值轉(zhuǎn)換電路圖

經(jīng)過(guò)此電路后，信號(hào)將完成以下運(yùn)算：

輸出將變?yōu)?的接口信號(hào)，便于與后續(xù)的控制器進(jìn)行連接。

2.3 瞬時(shí)功率運(yùn)算電路

瞬時(shí)功率運(yùn)算采用的是美國(guó)AD公司研制的AD534KD芯片，這款芯片可以用于乘法運(yùn)算、除法運(yùn)算、平方運(yùn)算和平方根運(yùn)算，運(yùn)算的誤差最大值為±0.5%。當(dāng)其用于乘法運(yùn)算時(shí)，典型的運(yùn)算功能描述公式為：

如果按照?qǐng)D5中的用法，其功能描述公式就變成了：

由于X2和Y2直接接地，所以最終的運(yùn)算功能就變成了：X1Y1

圖5 功率運(yùn)算電路圖

X1和Y1直接連接經(jīng)過(guò)放大的加熱回路電壓信號(hào)和電流信號(hào)，運(yùn)算后的輸出信號(hào)就是加熱時(shí)的瞬時(shí)功率。但這個(gè)功率輸出并不是直流有效值，所以在電路的末端還要加上一個(gè)真有效值轉(zhuǎn)換電路，該轉(zhuǎn)換電路與圖4相同。

2.4 阻抗運(yùn)算電路

阻抗運(yùn)算仍然是采用美國(guó)AD公司研制的AD534KD芯片，具體電路如圖6所示。

圖6 阻抗運(yùn)算電路圖

電路的運(yùn)算功能描述如下：

圖中，Y1、X2和Z1都接地，取值為“0”，功能描述式化簡(jiǎn)為：

Z2連接的是電壓有效值，X1連接的是電流有效值，電路的輸出就是阻抗值。

2.5 供電回路

圖7中為供電回路，采用橋式整流后，再經(jīng)LM7815和LM7915穩(wěn)壓，再經(jīng)多級(jí)濾波，輸出±1.5V。

圖7 供電回路圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文中提到的電路通過(guò)檢測(cè)電加熱器的加熱電壓和加熱電流，再將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓接口信號(hào)輸出，控制器就可以運(yùn)用這些信號(hào)直接控制加熱器的加熱功率，間接達(dá)到控制合成腔內(nèi)溫度的目的。經(jīng)工程應(yīng)用證明，該電路通過(guò)對(duì)電路結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計(jì)并選用新的集成器件，很好的解決了在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可能遇到的問(wèn)題，性能穩(wěn)定，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，能較好的完成信號(hào)采集的功能。再聯(lián)接A/D轉(zhuǎn)換電路后就可以將信號(hào)送入控制器中進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

[1]畢克勇.淺談六面頂液壓機(jī)電液控制模式.工業(yè)金剛石,2005,(3)：87-90.

[2]蔡博.六面頂壓機(jī)液壓、電控系統(tǒng)的研究進(jìn)展.2004,(4)：19-21.

[3]Op Amp Circuit Collection, National Semiconductor Corporation,Application Note 31 February 1978.

[4]AD202/AD204 User's Manual,Analog Devices,Inc.,1994.

[5]AD534 User's Manual,Analog Devices,Inc.,1999.

[6]AD548 User's Manual,Analog Devices,Inc.,1997.

[7]AD637 User's Manual,Analog Devices,Inc.,1999.

[8]LF356 User's Manual,STMicroelectronics GROUP OF COMPANIES,1998.