武旭東，王 瑋，李 婷，段金松，麻金龍

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

低本底伽馬能譜儀中使用的閃爍體相對(duì)光輸出會(huì)隨著環(huán)境溫度變化而變化，這將導(dǎo)致在能譜測(cè)量中的譜漂移[1]。 目前針對(duì)該問題的有效解決方案為利用恒溫系統(tǒng)，維持儀器在恒溫條件下測(cè)量，使閃爍體相對(duì)光輸出基本保持恒定，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)譜效果。 對(duì)于溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，已有研究使用加熱膜和風(fēng)冷技術(shù)應(yīng)用于慣性平臺(tái)溫度控制[2]，采用半導(dǎo)體制冷片與電阻絲加熱的方式設(shè)計(jì)了應(yīng)用于航空重力儀的溫控系統(tǒng)[3]，通過控制低磁線圈給銣源加熱保溫[4]等。 筆者針對(duì)低本底伽馬能譜儀使用需求，設(shè)計(jì)了智能化溫控系統(tǒng)，探測(cè)器溫度穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5 ℃，使能譜儀閃爍體探測(cè)器在相對(duì)恒定的溫度下工作，減小甚至消除環(huán)境溫度變化引起的閃爍體相對(duì)光輸出變化問題，為后續(xù)穩(wěn)定的能譜數(shù)據(jù)采集提供基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了探測(cè)器專用水箱，材料為導(dǎo)熱率較高的紫銅，該水箱內(nèi)部加工有循環(huán)水路，將其套于探測(cè)器晶體部分，通過進(jìn)出水口及循環(huán)水泵完成內(nèi)部液體循環(huán)。 如圖1所示，系統(tǒng)主要由主機(jī)控制器、 溫度采集模塊、 微控制器、 PID 控制模塊、 制冷加熱模塊組成。 整個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，系統(tǒng)通過留有的CAN 總線和USB 接口與主機(jī)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；溫度采集模塊使用鉑熱電阻PT100，可精確采集水箱溫度、 環(huán)境溫度、 制冷片及加熱片溫度；微控制器采用ARM Cortex-M3 內(nèi)核單片機(jī)，作為控制系統(tǒng)的核心；PID 控制模塊在微控制器專用程序協(xié)調(diào)下，采集水箱溫度與環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，使用PID 控制算法進(jìn)行計(jì)算，并發(fā)送相應(yīng)占空比的PWM 信號(hào)，調(diào)整制冷加熱模塊的電流大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷加熱模塊的控制。

2 智能溫控系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 溫度采集電路設(shè)計(jì)

鉑熱電阻是利用鉑絲的電阻值隨溫度變化的特性設(shè)計(jì)和制作的[5]，本系統(tǒng)選用的PT100 鉑熱電阻，其阻值與溫度變化的關(guān)系如公式（1）所示[6]。

式中：Rt—PT100 在 t ℃時(shí)阻值；R0—PT100 在0 ℃時(shí)阻值；t—實(shí)時(shí)溫度；A、 B、 C—PT100系數(shù)值：A=3.968 47×10-3；B=-5.847×10-7；C=-4.22×10-12。

PT100 測(cè)量溫度有兩種方案：1） 設(shè)計(jì)恒流源連接至PT100 鉑熱電阻，通過測(cè)量PT100兩端電壓變化換算出溫度；2） 采用惠斯通電橋，電橋中三個(gè)電阻阻值恒定，另一個(gè)使用PT100 鉑熱電阻，當(dāng) PT100 電阻值變化時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，由此換算出溫度。 對(duì)比這兩種方法，第一種測(cè)溫方案較為簡(jiǎn)單，可通過接線方式進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

鉑熱電阻電流源測(cè)溫方案有三種接法，分別為二線制、 三線制和四線制接法（圖 2）[7]。 兩線式接法采樣將 AD 采樣端直接與電流源輸出端相接，未考慮測(cè)溫電纜電阻；三線式和四線式增加了AD 采樣補(bǔ)償線，消除了測(cè)溫電纜電阻引起的測(cè)量誤差，而四線式接法還增加了AD 采樣對(duì)地補(bǔ)償線，進(jìn)一步減小測(cè)量誤差，該接法適用于遠(yuǎn)距離測(cè)溫場(chǎng)合。本系統(tǒng)中使用三線式測(cè)溫接法，其電路原理見圖3，采樣芯片ADS1248 生成多路電流源，電流流過PT100 產(chǎn)生壓降，使用 ADS1248 內(nèi)部電壓作為參考，以AD 采集的電壓模擬值作為輸入，根據(jù)公式（2）計(jì)算PT100 阻值。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 System structure diagram

圖2 電流源測(cè)溫方案接線方式Fig. 2 The wiring mode of scheme of measuring temperature by current source

式中：VREF—ADS1248 芯片內(nèi)部參考電壓值；OutCode—AD 采樣值；Gain—芯片內(nèi)部增益值；IIDAC—電流源電流值。

圖3 溫度采集硬件電路原理圖Fig. 3 Circuit schematic of temperature acquisition hardware

2.2 制冷加熱模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用半導(dǎo)體制冷片和陶瓷加熱片進(jìn)行循環(huán)水路的制冷或加熱操作，該制冷加熱元件為大功率器件，不能使用單片機(jī)直接控制，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。 本系統(tǒng)使用大功率場(chǎng)效應(yīng)管作為制冷加熱模塊輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)，其工作電壓電流較大，而微控制器控制信號(hào)為弱電信號(hào)，為防止驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)大電流對(duì)控制信號(hào)的干擾，增加了光耦隔離電路，圖4 為制冷加熱模塊驅(qū)動(dòng)原理。

圖4 制冷加熱模塊驅(qū)動(dòng)原理圖Fig. 4 Schematic of driving circuit of refrigeration and heating module

3 智能溫控系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控制器采用ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103 芯片，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體控制，系統(tǒng)啟動(dòng)后首先進(jìn)行各參數(shù)及功能接口的初始化操作，并創(chuàng)建溫度采集、 PID 控制、 CAN 通信任務(wù)等。 系統(tǒng)運(yùn)行過程中，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)下，采集四路溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理，PID 控制器根據(jù)采集的溫度及設(shè)定的目標(biāo)溫度進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，制冷加熱模塊根據(jù)PID 控制器輸出結(jié)果進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)溫度控制。 系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)通信接口，將實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)反饋給主機(jī)控制器，主機(jī)控制器也可以通過該接口預(yù)置相關(guān)參數(shù)，包括溫度校準(zhǔn)因子、 目標(biāo)溫度、 PID 參數(shù)等。

3.1 溫度數(shù)據(jù)處理

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

主控制器通過IIC 接口讀取AD 芯片采集的電壓值，由公式（1）和公式（2）計(jì)算溫度值。但是由于溫度-電阻函數(shù)關(guān)系為高階方程，直接求解較為復(fù)雜。 本系統(tǒng)采用查表和線性插值算法，通過標(biāo)度變換計(jì)算PT100 對(duì)應(yīng)溫度值，具有運(yùn)算快、 占用處理器內(nèi)部資源少的優(yōu)點(diǎn)，也可以從一定程度上對(duì)PT100 進(jìn)行線性化校正，從而達(dá)到非常精確的測(cè)溫效果。根據(jù)公式 （1），從-10℃到 50℃，每隔 0.1℃，求出PT100 對(duì)應(yīng)的阻值，在處理器ROM 區(qū)建立一個(gè)電阻-溫度分度表。 系統(tǒng)由公式 （2）求取出PT100 阻值，再根據(jù)電阻-溫度分度表，使用查表和線性插值算法求出當(dāng)前溫度值。

3.1.2 濾波校準(zhǔn)

溫度數(shù)據(jù)采集過程中，外部環(huán)境偶然因素的突變性干擾或儀器內(nèi)部不穩(wěn)定性會(huì)使采集的數(shù)據(jù)含有噪聲信息，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。 對(duì)于AD 數(shù)據(jù)采集，噪聲來源主要為小幅度高頻電子噪聲，本系統(tǒng)采用滑動(dòng)加權(quán)平均濾波方法對(duì)原始溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以減小該噪聲影響。

PT100 及AD 采樣電路的差異性使計(jì)算出的溫度值與實(shí)際值有一定的偏差，需參考標(biāo)準(zhǔn)溫度對(duì)PT100 進(jìn)行校準(zhǔn)。 采集PT100 實(shí)測(cè)溫度值與標(biāo)準(zhǔn)溫度，使用線性擬合方法求取校準(zhǔn)因子，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

3.2 PID 控制算法

對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，溫度變量具有非線性、 大滯后和時(shí)變等特性，單純的PID 控制很難達(dá)到精確控溫目的，所以結(jié)合本系統(tǒng)特點(diǎn)，對(duì)PID 算法進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和提高，使其能符合系統(tǒng)控制要求。 為了減小由于溫度大滯后特性帶來的積分超限控制問題，增加了變速積分和抗飽和積分控制，設(shè)置相應(yīng)的閾值，對(duì)積分項(xiàng)進(jìn)行限制。 通過對(duì)不同目標(biāo)溫度的變化曲線分析，制定優(yōu)化的模糊規(guī)則，并將模糊規(guī)則參數(shù)代入PID 實(shí)際計(jì)算中，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。 針對(duì)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其制冷、 加熱片為兩個(gè)獨(dú)立部件，根據(jù)其特性差異，制定兩組PID 控制參數(shù)，分別應(yīng)用于制冷加熱部件。 PID 控制流程圖如圖5 所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

圖5 PID 控制流程圖Fig. 5 PID control flowchart

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，將智能化溫控系統(tǒng)應(yīng)用于低本底伽馬能譜儀，對(duì)系統(tǒng)溫度采集、 PID 調(diào)控、 穩(wěn)譜效果等性能指標(biāo)及整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。

4.1 溫度校準(zhǔn)

采用中科賽凌CTH-WK4503-02FO 可編程恒溫恒濕試驗(yàn)箱進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與檢驗(yàn)。溫度區(qū)間設(shè)置為0～50℃，每隔5℃，恒溫保持30 min 后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 使用線性擬合的方式，分別擬合4 通道PT100 與恒溫恒濕試驗(yàn)箱探頭溫度，獲得的溫度校準(zhǔn)表達(dá)式（3）：

采用校準(zhǔn)后的溫度采集模塊獲取不同溫度梯度下的測(cè)量值，從0 ℃到50 ℃每隔5 ℃進(jìn)行溫度采集，并進(jìn)行滑動(dòng)加權(quán)平均濾波處理，其測(cè)量結(jié)果見表1。 通過四通道PT100 獲得的實(shí)測(cè)溫度值與試驗(yàn)箱探頭溫度的最大偏差為0.3 ℃，滿足使用要求。

4.2 PID 調(diào)控性能分析

分別設(shè)置PID 控制模塊的制冷加熱控制參數(shù)，如表 2 所示。 室溫條件下，分別設(shè)置目標(biāo)溫度為 15、 20、 25、 30、 35、 40 ℃，進(jìn)行溫控測(cè)試，溫度調(diào)控結(jié)果如圖6 所示。

根據(jù)實(shí)測(cè)溫度，分別計(jì)算不同溫度梯度下控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、 超調(diào)量、 穩(wěn)態(tài)誤差，結(jié)果見表3。 由表3 可知，本文設(shè)計(jì)的智能化溫控系統(tǒng)，響應(yīng)速度較快，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5 ℃，PID 調(diào)控性能滿足能譜儀使用需求。

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

根據(jù)低本底伽馬能譜儀檢定規(guī)程JJG 417—2006 能譜儀短期穩(wěn)定性指標(biāo)的試驗(yàn)方法，將系統(tǒng)應(yīng)用于北京核地科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的低本底伽馬能譜儀，使用137Cs 點(diǎn)源，采集能譜計(jì)算其全能峰峰位 X1。 在 8 h 內(nèi)，設(shè)置間隔時(shí)間為100 min，對(duì)137Cs 進(jìn)行連續(xù)能譜采集，采集時(shí)間為20 min，計(jì)算每次測(cè)得的全能峰峰位道址 Xi（i=2，3，4，5），再根據(jù)公式（4）計(jì)算137Cs 的全能峰峰位道址相對(duì)漂移s。分別設(shè)定恒溫目標(biāo)溫度為20、 25、 30 ℃與無溫控系統(tǒng)條件下，使用上述方法試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

由表4 可以看出，在室溫下，由于環(huán)境溫度變化影響，能譜儀峰位漂移較大；使用溫控系統(tǒng)后，在不同溫度下，能譜儀峰位漂移明顯減小。 結(jié)果表明，該系統(tǒng)可穩(wěn)定應(yīng)用于低本底伽馬能譜儀，維持探測(cè)器工作溫度恒定，提升穩(wěn)譜性能。

表1 四通道PT100 實(shí)測(cè)溫度值與恒溫恒濕試驗(yàn)箱探頭溫度值比較Table 1 Comparison between the measured temperature values of the four-channel PT1000 and the value of the constant temperature and humidity test chamber probe

表2 PID 控制參數(shù)表Table 2 Parameters of the PID control module

圖6 不同溫度梯度下PID 控制模塊的調(diào)控結(jié)果Fig. 6 Modulated results of PID control module under different temperature gradients

表3 PID 控制模塊對(duì)不同溫度梯度的調(diào)控性能分析Table 3 Analysis of modulating performance of the PID control module for different temperature gradients

表4 低本底伽馬能譜儀測(cè)得的137Cs 點(diǎn)源峰位道址Table 4 Peak location of 137Cs source measured by low background gamma spectrometer

5 結(jié)語

針對(duì)低本底伽馬能譜儀閃爍體受溫度影響帶來譜線漂移的問題，設(shè)計(jì)了能譜儀智能化溫控系統(tǒng)，具有多路溫度數(shù)據(jù)采集處理功能，使用改進(jìn)的PID 算法對(duì)加熱制冷模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，設(shè)計(jì) CAN 總線和 USB 接口，使用固定協(xié)議與主機(jī)控制器通信，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置及實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)反饋。 經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期技術(shù)要求。 目前已初步應(yīng)用于北京核地科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的低本底伽馬能譜儀，使用過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，溫度調(diào)控實(shí)時(shí)可靠，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。